/
Author: Журавльова Л.В. Бондар В.М.
Tags: підручник видавництво грамота електроматеріалознавство електрорадіотовари радиоелектронна апаратура
Year: 2006
Text
і
І
Л. В. ЖУРАВЛЬОВА і
В. М. БОНДАР
І
І
І
І
І
І
І
І
і
і
І
Підручник
І
і
І
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України ;
як підручник для учнів професійно-технічних
навчальних закладів і
і
І
І
।
।
і
і
і
і
Київ
«Грамота»
2006 !
І
І
і
І
УДК 621.3(075)
ББКЗІ.2я
Ж91
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України
як підручник для учнів професійно-технічних навчальних закладів
(Лист № 1/11 - 2691 від 01.07.2003.)
Рецензент
В. О. Песяцький, викладач спецдисцпплін Вищого професійно-
технічного училища № 43 м. Києва
Журавльова Л. В.
Ж91 Електроматеріалознавство: Шдруч. / Л. В. Журавльова,
В. М. Бондар. — К,: Грамота, 2006. —312 с.: іл. - Бібліогр.: 307 с.
І8ВИ 966-8066-39-1
У підручнику розглянуто основні властивості слектрорадіотоварів різних
класів, які використовуються у виробництві радіоелектронної апаратури:
провідників, напівпровідників, диелсктрпків, магнітних матеріалів.
Для учнів професійно-технічних навчальних закладів радіотехнічних
спеціальностей.
ББК31.2я
Ї8ВN 966-8066-39-1
© Л. В. Журавльова, В. М. Бондар, 2006
© Грамота, 2006
ПЕРЕДМОВА
Бурхливій! розвиток радіотехнічної промисловості супровод-
жується значним збільшенням випуску радіоелектронних приладів,
інтегральних схем, радіоелементів різного призначення, що склада-
ють елементну базу численних виробів в усіх галузях техніки.
Сучасне виробництво елементної бази радіоелектронних прист-
роїв значною мірою залежить від властивостей електрорад^ма-
теріалів і досконалості технологічних процесів у їх виготовлені.
Для електрорадіоматеріалів (матеріалів, що використовуються
в радіоелектроніці) першочергове значення мають їхні властивості
і характеристики в електричних і магнітних полях.
Через широкий діапазон зовнішнього впливу електрорадіома-
теріали повинні забезпечити високу надійність, швидку дію, пра-
цездатність при високих і дуже низьких температурах. У багатьох
випадках матеріали повинні витримувати перепади температур
(термоударі!), підвищену вологість навколишнього середовища,
вплив хімічно активних речовин, проникного випромінювання,
вібрації та ін.
Наведені в підручнику дані про фізичну сутність явищ, харак-
терних для матеріалів кожного типу при їх взаємодії з електрични-
ми і магнітними полями, допоможуть майбутнім спеціалістам у
раціональному виборі й застосуванні відповідних електрорадіома-
теріалів, що нині використовуються промисловістю з урахуванням
перспективи подальшого їхнього удосконалення.
З
Розділ 1
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
ПРО БУДОВУ РЕЧОВИНИ
Речовина — це окремий вид матерії, що має визначений склад і
властивості. Ознаки, за якими різні речовини відрізняються одна
від одної, називаються властивостями.
При виробництві радіоелектронної апаратури використовують
електрорадіоматеріали, що мають різноманітні властивості. Саме за-
вдяки цим властивостям в елементах радіоапаратури відбуваються
такі процеси як передача, випрямлення або модуляція електричного
струму, генерація, перетворення електричних сигналів у звукові або
світлові тощо. Це дозволяє виготовляти різні за функціональним
призначенням і конструктивним виконанням вироби — численні
напівпровідникові прилади, підсилювачі, стабілізатори, лазери та
мазери, приймачі світла, рідкі кристали, феритні пристрої, апарату-
ру голографії та багато Інших елементів, апаратів і приладів у радіо-
електронній промисловості. Властивості електрорадІоматеріалів і
прояви їх відмінностей залежать від будови речовини.
1.1. ОСНОВНІ ТИПИ ХІМІЧНОГО ЗВ’ЯЗКУ
Згідно з теорією будови атомів належність хімічних елементів до
металів і неметалів визначається здатністю їхніх атомів віддавати чи
приєднувати електрони під час хімічних реакцій. Атом — це най-
дрібніша хімічно неподільна частинка речовини, яка має у своєму
складі позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються нега-
тивно заряджені електрони. Останні притягуються до ядра і відштов-
хуються один від одного. Чим ближче до ядра вони знаходяться, тим
більші сили притягання на них діють. Електрони, які знаходяться на
великій відстані від ядра, можуть відриватись від одного атома і
приєднуватись до іншого, що призведе до зміни кількості його зов-
нішніх електронів. Такі електрони називаються валентними. У різ-
них речовин атоми містять різну кількість валентних електронів.
І-Іапсильніші металічні властивості мають ті елементи, атоми яких
легко віддають електрони. Елементи, атоми яких приєднують елек-
трони, мають неметалічні властивості. Властивість атомів даного
4
елемента відтягувати на себе електрони від атомів інших елементів
у сполуці називають електронегативністю. Від числових значень
електроне гати в костей залежить належність даного хімічного еле-
мента до металів чи неметалів. Для металів електроиегативність, як
правило, менша від двох, а неметалів — більша від двох. Електроне-
гатнвність елементів характеризує природу і властивості хімічного
зв’язку. Під час хімічних реакцій електрони переходять або зміщують-
ся до атомів елементів з більшою електронегативністю. Тому, знаючи
електронегативності елементів, можна передбачити тип хімічного
зв’язку в сполуці. Розрізняють три випадки хімічного зв’язку:
між атомами елементів, електроне гати вність яких однакова;
між атомами елементів, слсктронегативність яких мало відрізня-
ється;
між атомами елементів, електроиегативність яких значно відріз-
няється.
Атом, що втратив один або декілька електронів, стає позитивно
зарядженим. Атом, що приєднав до себе вільні електрони, стає нега-
тивно зарядженим. Позитивні та негативні частинки, які утворилися
таким чином, називаються іонами.
Із атомів будуються молекули. Молекула — це найдрібніша
частинка речовини, склад і хімічні властивості якої такі самі, як і в
даної речовини. Зв’язки, завдяки яким атоми об’єднуються в моле-
кули, називаються хімічними. Здатність атомів вступати в сполуки
з іншими речовинами та утворювати молекули визначає хімічні,
властивості речовини. Хімічні зв’язки між атомами речовини
поділяють на ковалентні (атомні), іонні, металічні та молекулярні.
Хімічний зв’язок, який виникає в результаті утворення спільних
(зв’язуючих) електронних пар, називається ковалентним.
Ковалентний зв’язок утворюється при взаємодії атомів з одна-
ковою електронегативністю. В цьому випадку через однакову елек-
тронегативність елементів один атом не може віддати, а другий
приєднати електрони. Валентні електрони будуть перебувати на од-
наковій відстані від ядер обох атомів. При цьому утворюються
спільні електроні пари, які зв’язують атоми (рис. 1,1).
Рис. 1.1. Ковалентний (атомний) зв’язок у молекулі водню:
а — ізольовані атоми; б — молекула з ковалентним зв’язком
5
Ці пари є загальними для атомів, які входять до складу молеку-
ли. Якщо двоатомна молекула складається з атомів одного елемен-
та (Н2, С12, N7), то електронна пара однаковою мірою належить
обом атомам. У такому випадку молекулу та ковалентний зв’язок
називають неполярними, або нейтральними. В неполярних молеку-
лах центри позитивних і негативних зарядів співпадають.
Якщо двоатомна молекула складається з атомів різних еле-
ментів, то електронна пара може бути зміщена до одного з атомів.
У цьому випадку ковалентний зв’язок називають полярним, а моле-
кули з полярним зв’язком, у яких центри позитивних зарядів не
співпадають, — полярними, або дипольними. Дипольна молекула
характеризується електричним дипольним моментом:
р-б?/, ’ (1)
де і? — абсолютне значення заряду, Кл; '
І — відстань між центрами позитивного та негативного зарядів, м.
Якщо у багатоатомних молекулах заряди розміщені симетрич-
но, то вони неполярні, при несиметричному розміщенні атомів
молекули полярні (рис. 1.2). а
Рис. 1.2. Схеми неполярної молекули поліетилену (її = 0) (а)
і полярної молекули полівінілхлориду (б): ‘
<7 — абсолютне значення заряду; І — відстань між центрами позитивного і негативного зарядів
На відміну від іонного атомний зв’язок має спрямований харак-
тер. Цей зв’язок утворюється в напрямку найбільшої щільності
об’єднаних електронів. Тому речовини з ковалентними зв’язками
характеризуються твердістю, крихкістю, тугоплавкістю та хімічною
інертністю. До них відносяться кристали германію, кремнію, алма-
зу, сполуки елементів із середніх груп таблиці Д. І. Менделєєва —
8ЇС, ВН Атомні зв’язки характерні для таких газів, як Н2, О2, N7.
Молекули деяких органічних сполук: поліетилену (С2Н2)м, політе-
трафторетплену (С^РЦи та іп. мають ковалентний зв’язок. При
цьому між окремими молекулами у даних матеріалах утворюються
молекулярні зв’язки.
Різновидом ковалентного зв’язку є донорно-акцепторний
зв’язок, який виникає між атомом, що здатний віддати електрон
(донор), та атомом, який здатний прийняти цей електрон (акцеп-
тор). Прикладом таких матеріалів є сполуки миш’яку — арсеніду
галію СаАз та індію Іп Аз.
6
Хімічний зв’язок, який виникає між іонами в результаті дії елект-
ростатичних сил притягання, називається іонним зв’язком. Цей тип
зв’язку утворюється, при взаємодії атомів елементів, електронега-
тивності яких різко відрізняються. При цьому відбувається майже
повне заміщення електронів (електронних пар) від атомів з меншою
електронегативністю до атомів з більшою електронегативністю.
Іонні зв’язки зумовлені силами електростатичного притягання
між позитивними і негативними іонами.
Молекули речовини з полярним зв’язком полярні.
Сполуки з Іонним зв’язком мають властивості, які характерні для
типових металів і неметалів. Такі зв’язки найхарактерніші для неор-
ганічних діелектриків, які мають у своєму складі іони протилежних
знаків (більшість солей та деякі оксиди, наприклад, 7пО, СсЮ, СиО2).
Іонні зв’язки менш стійкі, ніж ковалентні, тому сполуки, утво-
рені іонним зв’язком, поступаються речовинам з ковалентним зв’яз-
ком щодо механічної міцності та хімічної стійкості.
Металічні зв'язки утворюються в металах і зумовлені особливо-
стями поведінки зовнішніх (валентних) електронів. Атоми металів
здатні віддавати зовнішні (валентні) електрони, перетворюючись у
позитивний іон, або приєднувати їх і знову перетворюватись в ней-
тральний атом. Зовнішні електрони, які залишають атоми і стають
вільними, називаються колективізованими. Тобто метал являє со-
бою систему, що складається з позитивних іонів, які знаходяться в
середовищі колективізованих електронів. У цій системі водночас
виникає притягання між іонами і вільними електронами та кова-
лентний зв’язок між нейтральними молекулами. Наявність цих
зв’язків визначає монолітність і міцність металів. Завдяки наявнос-
ті вільних електронів метали мають високу електро- та теплопро-
відність. Металічний зв’язок па відміну від ковалентного не має
направленого характеру, що надає металам високої пластичності.
Більшість металів мають високі температури плавлення та кипіння.
Молекулярні зв’язки утворюються лиж окремими молекулами в
результаті притягання між зарядами протилежних знаків, які є в
молекулах. Таке електростатичне притягання називають силами
Ван-дер-Ваальса. За допомогою таких сил утворюються молекули в
твердому водні Н2, азоті И2, вуглекислому газі СО2 та інших
органічних сполуках — поліетилені, фторопласті та ін.
Особливим видом молекулярного зв’язку є водневий зв’язок, що
утворюється через іон водню (протон), який розміщений між двома
іонами сусідніх молекул. Водневий зв’язок з’єднує молекули води
та деяких органічних сполук.
У тверд [їх речовинах атоми та молекули розміщуються в суворому
порядку і хаотично. Речовини з закономірним упорядкованим розмі-
щенням атомів або молекул у просторі називають кристалічними, а
речовини з хаотичним розміщенням атомів або молекул — аморфними.
7
1.2. ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИН
У РІЗНИХ АГРЕГАТНИХ СТАНАХ
Залежно від умов навколишнього середовища і в першу чергу
від температури, тиску хімічні речовини можуть бути у різних
агрегатних станах, які відрізняються величиною і природою сил,
діючих між собою частинок, а також характером руху самих части-
нок. Розрізняють газоподібний, рідкий, твердий і плазмовий стан
речовини.
Між агрегатними станами різких меж немає. Можливе існування
перехідних агрегатних станів.
Газоподібний стан речовини. В газоподібному стані речовина
заповнює весь об’єм і приймає форму посудини, може стискува-
тись і утворювати однорідні суміші. Ці властивості газів зумовлені
тим, що їх окремі молекули знаходяться на порівняно великій
відстані одна від одної. Отже, вони не мають значного взаємного
впливу.
Енергія взаємодії молекул у цьому стані мінімальна, а кінетич-
на енергія максимальна. Молекули в газах рухаються хаотично.
Головним видом руху молекул газу є поступальний рух, при якому
вони зазнають значної кількості співударів. Молекули в газо-
подібному стані зберігають свою хімічну Індивідуальність, тому
фізико-хімічні властивості таких систем можуть бути одержані за
правилом адитивності (додавання характеристик молекул, що їх
утворюють).
Рідкий стан речовини. У рідині молекули знаходяться значно
ближче одна від одної, ніж у газах. Відносно одна одної вони утриму-
ються силами міжмолекулярної взаємодії. Рідини здатні приймати
форми тієї частини посуду, яку вони займають. Тому що молекули в
них вільно переміщуються відносно одна одної. На відміну від газів
рідини характеризуються незначним стисненням. Підвищений теп-
ловий рух частинок у рідинах і низька їх в’язкість призводять, в
середньому, до невпорядкованого розміщення частинок. У зв’язку з
цим рідини характеризуються ізотропністю, тобто ідентичністю
властивостей в будь-якій її точці.
Рідкі кристали. Відомо багато речовин, які в рідкому стані воло-
діють анізотропністю, тобто залежністю властивостей від напрямку.
Такі речовини називають рідкими кристалами. Своєрідність струк-
тури рідких кристалів проявляються в тому, що частинки, які їх ут-
ворюють, можуть вільно переміщуватись одна відносно другої. При
цьому їх орієнтація зберігається. Частинки або розміщуються таким
чином, що їх осі орієнтовані в одному напрямку або в паралельних
шарах, в середині яких рух частинок розупорядковуванни. Перший
тип рідких кристалів називається иематичним, або ниткоподібним,
другий — смектичним.
8
Структура рідких кристалів легко змінюється при нагріванні,
дії електричних магнітних полів, механічних напружень та ін., в ре-
зультаті чого змінюються їхні фізичні властивості. Отже фізичними
властивостями рідких кристалів можна керувати за допомогою
слабкої зовнішньої дії. Рідкі кристали широко використовуються в
кольорових дисплеях буквено-цпфровпх індикаторів та інших при-
строях запису і зберігання інформації.
Плазмовий стан речовини. При нагріванні розріджених газо-
подібних систем до високих температур, що перевищують десятки
тисяч градусів, виникає іонізація молекул і газ переходить у спе-
цифічний стан з електронно-іонною провідністю, що називається
плазмовим станом. Кінетична та потенціальна енергія частинок у
плазмовому стані перевищує аналогічні параметри газоподібних
молекул. При накладанні електричного і магнітного полів великої
напруженості рух частинок у плазмі стає направленим і, надавши
йому гвинтоподібну форму; можна керувати плазмою.
Кристалічний стан речовини. До кристалічних речовин відносять
усі метали та металеві сплави.
Кристал складається з безлічі спряжених одна з одною елемен-
тарних кристалічних комірок. В елементарнії! кристалічнії! комірці
міститься найменше число атомів.
Для опису структури кристалічних тіл користуються поняттям
просторових кристалічних ґраток, які являють собою просторову
сітку, у вузлах якої розміщуються частинки, що утворюють тверде
тіло (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Основні типи кристалічних ґраток металів:
а — кубічні об’ємноцентровані; б — кубічні гранецентровані; в — гексагональні
У вузлах ковалентних (атомних) ґраток знаходяться нейт-
ральні атоми, сполучені один з одним ковалентним зв’язком.
У вузлах іонних ґраток розміщуються поперемінно позитивні та
негативні іони, сполучені один з одним іонним зв’язком.
У вузлах металічних ґраток розміщені позитивні іони, в
проміжках між якими містяться вільні електрони. Вони утворюють
ґратку за допомогою металічних зв’язків.
У вузлах молекулярних ґраток знаходяться молекули. Такі ґрат-
ки утворюються ковалентними та іонними зв’язками.
9
Кожна речовина утворює кристали визначеної форми. Порядок
взаємного розміщення атомів у кристалі .може бути різним.
Найпростішим типом елементарної кристалічної комірки є
прості кубічні ґратки. Розміри кристалічних ґраток характеризу-
ються певними параметрами. Параметр ґраток — це відстань між
найближчими паралельними атомними
площинами, що утворюють елементар-
ну комірку. Ці відстані дуже малі і їх
вимірюють у нанометрах або ангстре-
мах (1А = 10"10 м). Параметр кубічної
ґратки (рис. 1.4) позначається буквою а
і знаходиться в межах 0,28...0,6 нм. Па-
раметр ґратки хрому дорівнює 2,9 А,
алюмінію — 4,04 А. Отже, в криста-
лічній речовині на 1 мм розмішуються
десятки мільйонів атомів.
Рис. 1.4. Елементарна
комірка кубічних ґраток
Прагнення атомів металу до зближення та ущільнення призво-
дить до утворення складніших типів ґраток. Найпоширенішими
типами кристалічних ґраток є:
кубічна об’ємноцентрована (див. рис. 1.3, а) — її мають а-залізо,
хром, вольфрам, ванадій;
кубічна гранецентрована (див. рис. 1.3, б) — її мають у-залізо,
мідь, алюміній;
гексагональна (див. рис. 1.3, в) — її мають берилій, кадмій,
магній та інші метали.
Найбільш щільно та компактно розміщені атоми гексагональ-
них і кубічних гранецентрованих ґраток.
Упорядковане розміщення атомів у кристалах призводить
до різного розміщення та щільності атомів у різних напрямках.
Цим зумовлена відмінність властивостей металів у різних на-
прямках.
Зміну властивостей кристалів (металів) залежно від напрямку
називають анізотропією. Ступінь анізотропності властивостей ме-
талів може бути значним. Наприклад, границя міцності на розтягу-
вання у міді змінюється від 120 до 360 МПа, а відносне видовження
при розтягуванні (А/// = 10) — до 55 %.
Проте промислові сплави складаються з великої кількості кри-
сталів, кристалічні ґратки яких по-різному орієнтовані в просторі,
тому властивості сплавів не залежать від напрямків.
Враховуючи анізотропію властивостей кристалів у різних на-
прямках, використовують кількісну індексацію площин та напрям-
ків у кристалічних ґратках (індекси Міллера). Кристалографічні
площини та їх індексація показані на рис. 1.5.
Площина І (рис. 1.5, й) відтинає від осі X відрізок, що дорівнює
довжині п ребра куба, і проходить паралельно осям У та X, тобто пе-
10
ретшгається з ними в нескінченності. Індексами вибирають відно-
шення довжини цього відрізка до довжини ребра куба. Індекси за-
писують у круглих дужках.
Індекси площини І визначаються таким чином: по осіХп/п = 1,
по осі У и/оо = 0, по осі X п/& = 0. Отже, площина І має індекси 100.
Площина II відтинає по осях А' і У відрізки, що дорівнюють п, і
перетинається в нескінченності з віссю X (рис.1.5, б). Індекси цієї
площини такі: по осі X п/п = 1, по осі У п/п = 1, по осі X п/^> = 0.
Отже, площина//має індекси 110.
Площина III (рис. 1.5, в) має індекси 111.
Рис. 1.5. Кристалографічні площини в кубічних кристалах
Всі кристалічні речовини при нагріваній зберігають твердий
стан до визначеної температури. Атоми, що містяться у вузлах
кристалічних ґраток, здійснюють безперервні коливальні рухи.
Чим вища температура речовини, тим більша амплітуда цих ко-
ливань.
З досягненням визначеної температури амплітуда коливань
атомів настільки збільшується, що може призвести до руйнування
кристалічних ґраток. Атоми переходять у хаотичний стан, а речови-
на перетворюється з твердої в рідку. Температура, за якої виникає
фазове перетворення твердої речовини в рідку, називається темпе-
ратурою плавлення 7’пл.
Звортний перехід кристалічних речовин з рідкого стану в твер-
дий називається кристалізацією. Температура, за якої виникає фа-
зове перетворення рідких речовин у кристалічні, називається тем-
пературою кристалізації ТК[>.
Будова металів, коли атоми утворюють геометрично правильну
кристалічну структуру, можлива тільки в ідеальних випадках. В ре-
альних умовах кристали мають велику кількість дефектів, наяв-
ність яких суттєво впливає на властивості металів і сплавів.
Основними дефектами кристалічних ґраток є точкові, лінійні,
поверхневі та об’ємні (тривимірні) недосконалості.
11
Точкові недосконалості з’являються як результат утворення
вакансій (атомних дірок) або проникнення атомів у міжвузля
(рис. 1.6).
Атоми металів знаходяться в коли-
вальному русі відносно положення рів-
новаги. При нагріванні амплітуда коли-
вання атомів зростає. Більшість атомів у
кристалічних ґратках мають однакову
середню енергію, і тому амплітуда їх ко-
ливань при даній температурі однакова,
але окремі атоми мають енергію, що
значно перевищує середню, і амплітуда
коливань їх також більша від середньо-
го значення. Такі атоми можуть пе-
реміщатися з одного місця в інше та ви-
ходити з вузла у міжвузля. Атоми, що
вийшли з вузла ґраток, називаються
дислокованими, а місця, де знаходились
ґраток незаповненими і називаються вакансіями.
Причинами точкових недосконалостей слугують умови кри-
сталізації, наявність домішок у металах та сплавах, нерівномірний
розподіл енергії між атомами кристалічних ґраток.
Точкові дефекти впливають на дифузійні процеси. Наприклад,
при виготовленні напівпровідникових інтегральних схем нагрівання
до температури плавлення збільшує вакансії на 2%.
Лінійні недосконалості — це зміни структури, протяжність яких
в одному напрямку значно більша, ніж у двох інших напрямках.
Такі недосконалості називаються дислокаціями. Поява дислокацій
викликана дією на метал напружень різного походження. Під дією
Рис. 1.6. Умовне
зображення точкових
н едоско нал осте й:
1 — вакансії; 2 — дислокований
атом; 3 — домішковий атом
атоми, залишаються
зосередженого навантаження на деяку ділянку виникає перероз-
поділ напружень у зразку. Цей процес супроводжується повільним
зсувом атомів. Межа між зсуненими ділянками і ділянкою, яка збе-
реглася без змін, є дислокацією (рис. 1.7).
Дислокації бувають крайовими, гвин-
Рис. 1.7. Лінійні дислокації
товими та змішаними.
Поверхневі недосконалості харак-
теризуються значними змінами в двох
напрямках. Прикладом поверхневої
недосконалості є межа між кристалами
в реальних сплавах.
Кристал складається з блоків, які
по-різному орієнтуються в межах цьо-
го кристала, утворюючи мозаїчну
структуру. На межах блоків, поверну-
тих один відносно одного, виникають
12
напруження, що призводить до викрив-
лення кристалічних ґраток (рис. 1.8).
Об'ємні недосконалості кристала ма-
ють суттєві розміри у всіх трьох вимірах.
До об’ємних дефектів відносять пустоти,
вкраплення окремих кристалічних зерен
або кристалічної модифікації.
За структурою кристалічні матеріали
бувають монокристалічні та полікрпста-
лічні.
Монокристалічні матеріали — це од-
норідні анізотропні тіла, у яких атоми
розміщені по всьому об’єму в правиль-
ному порядку. При цьому самі атоми
складаються з однакових кристалічних
комірок, які періодично повторюються.
Полікристалічні матеріали мають
Рис.1.8.
Поверхневі
недосконалості
(мозаїчна структура
кристала)
у своєму складі велику
кількість дрібних кристалічних зерен (кристалітів), які зрослися
між собою і хаотично орієнтовані в різних напрямках. За рахунок
усереднення властивостей окремих кристалів властивості тіла в
цілому не залежать від напрямку, І полікристалічні матеріали зви-
чайно ізотропні. Проте, за допомогою спеціальної обробки (холод-
на прокатка з наступним випалюванням, намагнічування, поляри-
зація та Ін.) матеріал стає анізотропним. Матеріали зі штучно утво-
реною анізотропією називають текстурами.
До полікрпсталічних матеріалів належать метали і значна
кількість керамічних матеріалів.
Аморфні стани речовини. В аморфних станах речовин атоми та
молекули розміщені безладно. На відміну від кристалічних
аморфні речовини не мають чітко визначеної температури перехо-
ду з твердого стану в рідкий. Цей перехід здійснюється в деякому
діапазоні температур. ЗІ зниженням температури у аморфних ма-
теріалів, які перебувають в рідкому стані, виникає швидке підви-
щення в’язкості, яке утруднює переміщення молекул, що необхідне
для формування та росту кристалів.
Властивості аморфн их тіл не зал ежат ь в ід вибрано го на п ря м ку,
оскільки аморфні тіла ізотропні. Наприклад, з охолодженням роз-
плавленого кварцу утворюється так званий плавлений кварц, вла-
стивості якого однакові у всіх напрямках і при цьому не відрізня-
ються від властивостей кристалічного кварцу.
Аморфні речовини поділяються на дві групи:
прості аморфні, до яких відносяться низькомолекулярні рідини,
неорганічні стекла, плавлений кварц та ін.;
високополімерні сполуки, до яких відносяться каучуки, гуми,
органічні стекла, смоли.
13
/
Аморфно-кристалічні статі речовини. Деякі речовини можуть /
знаходитись у кристалічному та аморфному станах. Аморфний стан /
речовини менш стійкий, ніж кристалічний, тому можливий спон- !
танний перехід речовини з аморфного стану в кристалічний. Прпк-/
ладом такого перетворення є розскловування, в процесі якого вини-/
кає спонтанна кристалізація скла при підвищених температурах чії
тиску. У зв’язку з утворенням дрібних кристалів скло змінює свої
оптичні властивості і перетворюється в аморфно-кристалічний
матеріл, що називається ситалом.
Аморфно-кристалічний стан властивий оксиду кремнію, який
зустрічається в природі у вигляді кристалів кварцу, а також в
аморфному стані у вигляді мінералу опалу. У визначеному інтер-
валі температур у термодинамічному стійкому стані, який харак-
терний для аморфно-кристалічних речовин, знаходяться рідкі
кристали.
Останнім часом розроблені методи одержання деяких металів у
склоподібному стані («металеве скло»). Метали в склоподібному
стані мають деякі специфічні властивості, наприклад, підвищену
стійкість проти хімічної дії зовнішнього середовища.
Контрольні питання
1. Що входить до складу речовин?
2, Що називається електронегативністю хімічних елементів?
3. У яких агрегатних станах можуть знаходиться речовини?
4. Які види хімічних зв’язків між атомами ви знаєте?
5. Що являють собою просторові кристалічні ґратки?
6. Чим відрізняються кристалічні речовини від аморфних?
7. У чому полягає відмінність температури плавлення Тпл від темпе-
ратури кристалізації ТКр?
Розділ 2
ВИБІР МАТЕРІАЛІВ ЗА ЇХНІМИ
ВЛАСТИВОСТЯМИ
Електрорадіоматеріали — це електротехнічні матеріали, що
використовуються в радіоелектроніці. Електротехнічними матері-
алами називаються матеріали, що характеризуються визначеними
властивостями щодо електромагнітного поля і використовуються в
техніці з урахування їх властивостей. У різних областях елек-
троніки використовують конструкційні матеріали для виготовлен-
ня несучих конструкцій, а також допоміжних деталей та елементів
радіоприладів, на які діють механічні навантаження в процесі
експлуатації.
2.1. ОСНОВИ ВИБОРУ МАТЕРІАЛІВ
Правильно вибрати матеріал можна на основі аналізу функціо-
нального призначення деталей, умов їх експлуатації і технологічних
показників з урахуванням таких факторів:
1. Матеріал є основою конструкції, визначає, здатність деталей
виконувати робочі функції та протистояти дії механічних і кліма-
тичних факторів;
2. Матеріал визначає технологічні характеристики деталі,
оскільки оброблюється за певними технологічними методами. На-
приклад, об’ємні деталі з текстоліту можна обробляти тільки різан-
ням; ці ж деталі з пластмас виготовляють пресуванням. Деталі
особливо складної форми обробляють штампуванням, пресуван-
ням, обробка на станках-автоматах, литтям тощо;
3. Від властивостей матеріалу залежить точність виготовлен-
ня деталей. Наприклад, точність штампованих гнутих виробів зале-
жить від пружних властивостей матеріалу, оскільки після зняття із
штампу деталь розпружинюється. Тому деталі із м’якої сталі доско-
наліші деталей з пружної сталі. Від точності виробу залежить
точність вузла або приладу, куди він входить;
4. Матеріал впливає на габарити та масу приладу. Наприклад,
використання високоякісних трансформаторних сталей дозволяє ско-
ротити кількість металу в трансформаторі і тим самим зменшити
15
його масу та габарити, що дуже важливо для спеціальної малогаба-
ритної апаратури. Використання алюмінієвих сплавів для шасі
апарата значно зменшує його масу при повному дотриманні вимог
щодо міцності та жорсткості; /
5. Матеріал впливає на експлуатаційні характеристики дета-;
лей, на їхню надійність і довговічність. Наприклад, контакти вико-/
нані із стійких проти окпснення матеріалів (срібло, золото) витріи
мують десятки тисяч перемикань на відміну від контактів Н
нестійких проти окпснення матеріалів (латунь).
Для виконання вимог, які пред’являються до електрорадіомате-
ріалів, необхідно вивчити ті фізичні явища, які мають місце в мате-
ріалах при дії на них електромагнітного поля. Тому і використання
цих матеріалів у радіоелектроніці зумовлено перш за все їхніми
електричними і магнітними властивостями.
2,2. ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ
Класифікація електроматеріалів за електричними властивостями
базується на уявленнях зонної теорії електропровідності твердих
тіл. Основні положення цієї теорії такі.
В ізольованому атомі електрони обертаються навколо ядра на
визначених орбітах. Згідно з принципом Паулі на кожній орбіті
може знаходитися не більше двох електронів. Кожній орбіті відпо-
відає чітко визначене значення енергії, яку може мати електрон,
тобто кожна орбіта являє собою визначений енергетичний рівень.
Під дією притягання позитивно зарядженого атомного ядра елек-
трони прагнуть зайняти ближні до ядра рівні з мінімальним значен-
ням енергії. Тому нижні енергетичні рівні виявляються заповненими
електронами, а верхні рівні — вільними. Електрон може стрибко-
подібно перейти З НИЖНЬОГО енергетичного рівня на інший
вільний рівень иЛ2 (рис. 2.1). Для цього електрону необхідно надати
додаткову енергію Якщо вільних рівнів в атомі немає,
то електрон не може змінити свою енергію, тому він не бере участі
у створенні електропровідності.
У кристалічних гратках, які складаються'з декількох атомів,
окремі енергетичні рівні розщеплюються на підрівні, які утворю-
ють енергетичні зони (рис. 2.1). При цьому розщеплюються вільні
і заповнені енергетичні рівні. Зона, яка заповнена електронами,
називається валентною. Верхній рівень валентної зони позна-
чається М6-. Вільна зона називається зоною провідності. Нижній
рівень зони провідності позначається \УС. Проміжок між валент-
ною зоною і зоною провідності називається забороненою зоною
ДМб Значення забороненої зони суттєво впливає на властивості
матеріалів.
16
Зона
провідності
Рис. 2.1. Діаграма енергетичних рівнів ізольованого атома (1) і твердого тіла (2)
Якщо заборонена зона ЛІТ дорівнює нулю або близька до нього
значення, то електрони можуть перейти на вільні рівні завдяки
власній тепловій енергії та збільшити провідність речовини. Речо-
вини з такою структурою енергетичних зон відносять до провід-
ників. Типовими провідниками є метали.
У металі електрони вільні, тобто вони можуть переходити з
рівнів заповненої зони на незайняті рівні вільної зони під впливом
слабкої напруженості, прикладеної до провідника електричного
поля.
Якщо значення забороненої зони перевищує декілька електрон-
вольт (1 еВ — енергія електрона, одержана ним при переміщенні
між двома точками електричного поля з різницею потенціалів 1 В),
то для переходу електронів з валентної зони в зону провідності не-
обхідна значна енергія. Такі речовини відносяться до діелектриків.
Діелектрики мають високий питомий електричний опір.
Якщо значення забороненої зони складає 0,1...0,3 еВ, то електро-
ни легко переходять з валентної зони в зону провідності завдяки
зовнішній енергії. Речовини з керованою провідністю відносять до
17
напівпровідників. При відсутності в напівпровіднику вільних елек- Д
тронів (при нулю Кельвіна) прикладена до нього різниця електрич- / І
них потенціалів не викличе виникнення струму. Якщо ЗЗОВНІ буде І І
підведена енергія, достатня до переведення електронів через забо- і і
ронену зону, то ставши вільними, електрони зможуть переміщатися / І
під дією електричного поля, створивши електронну провідність / і
напівпровідника. / І
Таким чином напівпровідникові матеріали мають провідність,/ І
за допомогою якої можна керувати напругою, температурою, освіт|
леністю та ін. І
Питомий електричний опір напівпровідників становить І
10-6... 109 Ом-м. І
Провідникові матеріали використовуються для проведення ї
електричного струму. До провідників відносять речовини з пито-
мим електричним опором р менше 10*5 Ом-м. І
Діелектричні матеріали мають властивість перешкоджати І
протіканню струму. До діелектричних матеріалів відносять речови- І
ни з питомим електричним опором р більше 107 Ом-м. Завдяки ви- |
сокому питомому електричному опору їх використовують як елек- І
троізоляційні матеріали. З
Залежно від структури та зовнішніх умов матеріали можуть пе- і
реходити з одного класу в інший. Наприклад, тверді і рідкі метали — І
провідники, а пари металів — діелектрики; типові за нормальних і
умов напівпровідники германій та кремній при дії високого гідро- І
статичного тиску стають провідниками; вуглець в модифікації І
алмазу — діелектрик, а в модифікації графіту — провідник. І
Основного властивістю речовини щодо електричного поля є І
електропровідність, яка характеризує здатність матеріалу проводити 1
електричний струм під дією постійного електричного поля, тобто І
поля, напруга якого не змінюється із часом. І
Електропровідність характеризується питомою електричною і
провідністю у та питомим електричним опором р: І
7 = ї£ = Е/р, (2) 1
де У — щільність струму; І
у — питома електрична провідність, См/м; І
Е — напруженість електричного поля, В/м; І
р = 1/у — питомий електричний опір, Ом-м. І
Значення питомої електричної провідності у та питомого елект- І
ричного опору р у різних матеріалів суттєво відрізняються. У над- І
провідному стані питомий електричний опір матеріалів дорівнює І
нулю, а у розріджених газів наближається до нескінченності. 1
18 І
І
і
2.3. МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ
Всі матеріали, які знаходяться у магнітному полі, мають певні
магнітні властивості, які зумовлені внутрішніми формами руху
електричних зарядів.
За характером взаємодії із зовнішнім магнітним
полем всі електрорадіоматеріали поділяються на немагнітні та
магнітні.
Немагнітні матеріали не взаємодіють з магнітним полем, тобто не
набувають магнітних властивостей при дії на них магнітного поля.
Магнітні матеріали мають властивість намагнічуватися.
В ізольованому атомі електрони обертаються навколо ядра з
визначеним орбітальним моментом. Одночасно електрони оберта-
ються навколо своїх осей зі спіновими магнітними моментами.
Орбітальні та спінові магнітні моменти в сумі утворюють магніт-
ний момент атома. Магнітні властивості атома визначаються, в ос-
новному, магнітними властивостями електрона, оскільки магнітний
момент електронної оболонки атома приблизно в 1000 разів біль-
ший магнітного моменту атомного ядра.
Оскільки електрони з правим та лівим обертанням мають різні
напрямки магнітних моментів, то сумарний магнітний момент атома
може дорівнювати нулю або відрізнятись від нуля.
Матеріали з різною електронною структурою атомів мають
різні магнітні властивості.
За силою взаємодії з магнітним полем усі матері-
али поділяються па слабкомагнітні (діамагнетики, парамагпетпки)
та с п л ь і [ о маги іт н і (ф ер ома гиет и к и, а нт и ф ер ом а гпет и к и ).
Сила взаємодії речовини з магнітним полем оцінюється без-
розмірною величиною — магнітною сприйнятливістю:
к^ - М/Н, (3)
де М — намагніченість речовини під виливом магнітного поля, А-м'1;
Н — напруженість магнітного поля, А-м'1.
Слабкомагнітні матеріали незначно змінюють свою намагніче-
ність під впливом зовнішнього намагнічувального поля і характе-
ризуються магнітною сприйнятливістю кУ[ « 1.
До слабкомагнітних матеріалів відносяться діамагнетики та
пара магнетики.
Діамагнетики — це матеріали, які складаються з атомів, у яких
оболонки повністю заповнені електронами. Тому результуючий
магнітний момент атома дорівнює нулю.
Діамагнетизм притаманний усім матеріалам і виражається тим
сильніше, чим більше електронів в атомах та чим далі вони розміщені
від ядра. їхні магнітні властивості проявляються завдяки повертанню
електронних орбіт під впливом зовнішнього намагнічувального
19
поля. Завдяки цьому з’являється результуючий магнітний момент,
який направлений назустріч зовнішньому полю і який ослаблює
зовнішнє поле всередині діамагнетика.
Магнітна сприйнятливість діамагнетиків “ -10’5 у більшості і
випадків не залежить від температури та напруженості намагнічу- /
вального поля. Зовнішній діамагнетизм проявляється в тому, що •'
діамагнетик «виштовхується» з неоднорідного магнітного поля.
До діамагнетиків відносяться більшість органічних сполук та
ряд металів: мідь, срібло, золото, свинець та ін.
Парамагнетики характеризуються тим, що магнітні моменти
окремих атомів парамагнетиків орієнтовані хаотично і в об’ємі
твердого тіла скомпенсовані. При розміщенні цих матеріалів у
магнітному полі виникає орієнтація незначного числа магнітних
моментів атомів та підсилення зовнішнього поля всередині пара-
магнетика. Це є результатом співпадання напрямку намагніченості
парамагнетиків з напрямком зовнішнього поля. Після зняття
зовнішнього магнітного поля парамагнетики зберігають незначну
намагніченість.
Магнітна сприйнятливість == 10‘2...10‘5. У більшості парамаг-
нетиків магнітна сприйнятливість значно залежить від температури,
для деяких парамагнетиків (лужних металів) вона від температури
не залежить, а деякі мають аномальну залежність. Від напруженості
поля при нормальній температурі парамагнетпчна сприйнятливість
залежить мало, але при температурах, близьких до температури
Кюрі, парамагнетики можна перевести в стан магнітного насичен-
ня. В цілому парамагнетизм проявляється в тому, що парамагнетик
«втягується» в неоднорідне магнітне поле.
До парамагнетиків відносять алюміній, платину та ін.
Сильномагнітні матеріали значно змінюють намагніченість під
дією зовнішнього поля і характеризуються магнітною сприйнят-
ливістю &ЛІ»1. До спльномагнітнпх матеріалів відносяться феро-
магнетики, анти феромагнетики та феримагнетики.
Феромагнетики характеризуються наступними властивостями:
здатністю сильно намагнічуватися навіть у незначних магнітних
полях (Ам = 1О3...1О'5);
здатністю переходити із феромагнітного в парамагнітний стан
при температурі, яка перевищує температуру Кюрі Тк, тобто
здатність втрачати магнітну сприйнятливість на 3...4 порядки.
Магнітна сприйнятливість має складну нелінійну залежність від
температури І напруженості поля.
Феромагнетики відносяться до перехідних елементів, у яких по-
рушений нормальний порядок заповнення електронних оболонок,
і, як результат, атоми мають внутрішні незаповпені оболонки. Це
спричинює те, що атоми цих елементів мають некомпенсований
магнітний момент. У матеріалах, в яких сумарний магнітний
20
момент атома відмінний від нуля, утворюються домени, тобто
ділянки, самочинно намагнічені до насичення за відсутності
зовнішнього магнітного поля. Залежно від кристалічної структури
речовини домени мають різну форму. Лінійні розміри домену
дорівнюють від тисячних до десятих часток міліметра. Окремі
домени відділені один від одного примежовим шаром товщиною
10-2... 10'8 м Залежно від електричної взаємодії нескомпенсовані
спіни сусідніх атомів встановлюються паралельно або антшіара-
лельпо. Матеріали, у яких не скомпенсовані спіни сусідніх атомів
встановлюються паралельно, відносяться до феромагнетиків.
Процес намагнічування феромагнетики починається з росту
найбільш сприятливо орієнтованих доменів. Такими є домени, у
яких напрямки магнітних моментів близькі до напрямків напруже-
ності намагнічувального поля. Число цих доменів збільшується в
результаті зсуву меж менш сприятливо орієнтованих доменів.
Після закінчення росту доменів в об’ємі кристала намагнічування
матеріалу продовжується через повертання магнітних моментів до-
менів. При збіганні напрямків векторів магнітних моментів доменів
з напрямками напруженості магнітного поля настає магнітне наси-
чення (рис. 2.2). З подальшим підвищенням напруженості зовніш-
нього електромагнітного поля намагніченість матеріалу збіль-
шується незначною мірою. При знятті зовнішнього поля вектори
доменів повертаються у зворотному напрямку і матеріал розмагні-
чується, але не повністю.
Щ Щ
.... .............................. »
а б в г
Рис. 2.2. Схеми орієнтування вектора намагніченості в доменах феромагнетику:
а — при відсутності зовнішнього поля; б — у слабкому полі з напруженістю Ні; в — усиль-
ному полі з напруженістю Нї, г — при насиченні (Н,з = Ну)
При намагніченні феромагнетиків спостерігаються явища анізо-
тропії і магнітострикції.
Сутність магнітної анізотропії полягає в тому, що намагнічу-
вані сть кристала за різними його напрямками неоднакова. В ґрат-
ках кристала феромагнетику існує напрямок легкого та важкого
намагнічування. Залізо та його сплави кристалізуються в кубічну
21
структуру. Вісями легкого намагнічування у них є ребра куба, а
найбільш важкого — просторові діагоналі (рис. 2.3, <?). У нікелю,
який має також кубічну структуру, розподілення осей намагнічу-
вання протилежне (рис. 2.3, б). У кобальту, який має гексагональ-
ну структуру, напрямок легкого намагнічування проходить
вздовж шестикутної грані, а важкого — вздовж ребра бокових гра-
ней (рис. 2.3, в).
Залізо Ге
а
Нікель Уі
б
Кобальт Со
в
Рис. 2.3. Діаграми напрямку легкого і важкого намагнічування в монокристалах
заліза (а), нікелю (б) і кобальту (в)
У ненамагніченого зразка напрямок магнітних моментів доме-
нів збігається з осями легкого намагнічування кристала. При потра-
плянні зразка в електромагнітне поле енергетично най ви гіднішим
напрямком є вісь легкого намагнічування, що складає найменший
кут з напрямком зовнішнього поля.
Намагнічування та розмагнічування феромагнетику супровод-
жується зміною лінійних розмірів та форми кристала. Це явище на-
зивається магнітострикцією. Воно характерно для всіх магнітних
матеріалів.
Магнітострикція матеріалу оцінюється константою магніто-
стрикції (магнітострикційна деформація насичення):
К = Д///о, (4)
де Д//4) ~ відносна зміна лінійних розмірів зразка, м;
/д — початкова довжина зразка, м.
Константа магнітострикції може приймати позитивні та
негативні значення. Її значення та знак залежать від властивостей
металу та напруженості намагнічувального поля.
До феромагнетиків відносять залізо, нікель, кобальт та їхні
сплави, гадоліній, сплави хрому та марганцю та ін.
Антиферомагнетики — це матеріали, у яких магнітні моменти
сусідніх атомів рівні, але їхні спіни розміщені антипаралельно.
Магнітна сприйнятливість антпферомагнетпків км = 10'3...10'5і
відрізняється специфічною залежністю від температури.
Феромагнетики багато в чому подібні до феромагнетиків, але
мають ряд відмінностей:
— вони значно поступаються феромагнетикам за значенням на-
магніченості насичення (граничної намагніченості) Л/5;
— у багатьох випадках мають аномальну залежність намагніче-
ності насичення М3 від температури з наявністю точки компенсації.
Природа феромагнетизму була вперше детально вивчена на фе-
ритах — сполука оксиду заліза РерОз з оксидом металів, наприклад,
ХіеО'ЕезОз (де Ме++ — двовалентний метал). Магнітні властивості
феромагнетиків пов’язані із взаємним розташуванням у кри-
сталічних ґратках іонів заліза та металу.
Феромагнетики є кристалічними речовинами з доменною
структурою.
Контрольні питання
1. Які матеріали називаються електротехнічними ?
2. Від яких факторів залежить правильний вибір матеріалів ?
3. Шр таке електропровідність матеріалу і якою величиною вона
характеризується ?
4. Яке основне призначення провідникових, напівпровідникових і
діелектричних матеріалів ?
5. Як поділяються матеріали за сплою взаємодії з магнітним полем ?
6. У чому сутність магнітної анізотропії та магнітострикції ?
7. Які матеріали відносять до діамагнетиків, парамагнетиків і феро-
магнетиків?
23
Розділ З
ПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ
Провідникові матеріали — це речовини, основною властивістю
яких є електропровідність. Вона характеризуються незначним або
заданим питомим електричним опором р. До них відносяться і
матеріали з високим опором, і надпровідникові, і кріоировіднпкові
матеріали, у яких питомий електричний опір при дуже низьких
температурах надто малий.
3.1, КЛАСИФІКАЦІЯ ПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
Найважливішими провідниковими матеріалами, то використо-
вуються в техніці, є метали та їх сплави. Значно менше використо-
вують рідкі і газоподібні провідникові матеріали.
До газоподібних провідникових матеріалів відносять всі гази та
пари, а також пари металів. При достатньо малих значеннях напру-
женості електричного поля Е вони є діелектриками і мають дуже
високий питомий електричний опір р. Але при напруженості елект-
ричного поля, яке забезпечує початок іонізації, газ може стати про-
відником, у якому перенесення електричних зарядів здійснюється
електронами та іонами. Якщо в одиниці об’єм}' сильно іонізованого
газу настає рівність між числом електронів і позитивних іонів, то та-
кий газ є особливим провідним середовищем і називається плазмою.
Провідність газів і парів використовують у різних газорозряд-
них приладах.
До рідких провідників відносять розплави металів і розчини'
(зокрема, водяні), а також розплави солей, кислот та інших речовин
з іонною будовою молекул.
Механізм проходження електричного струму через тверді та
рідкі метали зумовлений направленим рухом вільних електронів
під впливом електричного струму, який утворюється прикладеною
до них напругою. Тому тверді та рідкі метали називають провідни-
ками з електронною (металічною) електропровідністю, або провід-
никами пертого роду. Розчини та розплави солей, кислот і лугів, які
проводять електричний струм, називають електролітами, або про-
24
відпикамп другого роду. З проходженням електричного струму крізь
електроліт, в який занурені електроди, електричний заряд перено-
ситься разом з частинками молекул (іонами) електроліту. На елек-
тродах виділяється речовина з розчину. Електроліти використову-
ють у технології виготовлення різних елементів радіоелектронних
пристроїв. Більшість металів мають високу температуру плавлення.
Тільки ртуть та деякі спеціальні сплави (наприклад, сплави систе-
ми індій-галій) можуть використовуватися як рідкі провідники при
нормальній температурі. Всі інші метали використовуються як
рідкі провідники при підвищених температурах.
До твердих провідників відносять метали та сплави. В твердому
стані метали мають кристалічну структуру, для якої властивий
особливий вид металічного зв’язку між атомами. При протіканні
електричного струму крізь контакт різних металів речовини одного
металу не переносяться в інший, як це має місце при протіканні
струму в електролітах, оскільки перенесення електричних зарядів у
металах здійснюється тільки електронами.
За х а р а кт е ром в и користання в радіоелектронних при-
ладах металеві матеріали поділяють на матеріали з високою про-
відностю (питомий електричний опір р £ 0,1. мкОм-м) і матеріали з
високим опором (питомий електричний опір р а 0,3 мкОм-м).
Матеріали з високою провідністю використовують як основу в
контактних матеріалах і припоях, для виготовлення проводів,
мікропроводів. провідникових иокритів і плівок, різних струмо-
провідпих деталей. До них відносять мідь, алюміній, залізо, срібло,
золото, олово, свинець, цинк та ін.
Матеріали з високим опором використовують для виготовлення
резистивних матеріалів та матеріалів для термопар. Широко застосо-
вуються сплави з високим опором: мідно-марганцеві (манганіни), мід-
но-нікелеві (константани), сплави заліза, нікелю та хром)7 (ніхромп),
хромоалюмінІєві сплави, фехралі та хромалі.
Матеріали з мізерно малим питомим електричним опором р,
який вони мають за дуже низьких температур, називаються над-
провідниками. Властивості надпровідників мають ртуть, алюміній,
свинець, ніобій, сплави ніобію з оловом, титаном та ін.
3.2. ВЛАСТИВОСТІ ПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
Тверді металеві провідники характеризуються високою елект-
ро- та теплопровідністю, що обумовлено особливостями металічно-
го зв’язку між атомами. Як провідники використовують також не-
металеві матеріали (вугілля, графіт, вугільно-графітові композиції,
високо іонізовані гази). Провідникові матеріали мають механічні,
фізико-хімічні та технологічні властивості.
25
3.2.1. Механічні властивості провідникових матеріалів
До м е х а н і ч н н х властивостей відносять твердість, в’язкість,
пружність, пластичність, лінійне розширення, крихкість, міцність,
втому.
Твердість — це здатність металу чинити опір пластичній дефор-
мації або крихкому руйнуванню в поверхневому шарі при місцевій
контактній силовій дії.
Існують різні методи визначення твердості: втискування, под-
ряпапня, пружна віддача. Найпоширенішим методом є втискування
в метал сталевої кульки (твердість за Брінеллем), втискування
конуса (за Роквеллом ), втискування піраміди (за Віккерсом).
Випробовування матеріалів на твердість втискуванням кульки за
методом Брінелля виконують за допомогою сталевої загартованої
кульки діаметром 10,5 або 2,5 мм у випробовуваний матеріал під дією
навантаження протягом певного часу (рис. 3.1). Діаметр кульки,
навантаження і час витримування під навантаженням вибирають за
спеціальними таблицями залежно від товщини і твердості матеріалу.
Рис. 3.1. Схема визначення
твердості матеріалу за методом Брінелля:
Р — навантаження; О — діаметр сталевої кульки;
с/ — діаметр відбитка; $ — товщина зразка
Перед випробовуванням поверхню деталі або зразка зачищають
напилком або наждачним кругом.
Після випробовування діаметр відбитка вимірюють за допомогою
градуйованого збільшуваного скла у двох взаємно перпендикулярних
напрямках. Діаметр відбитка д залежить від твердості матеріалу.
Твердість за методом Брінелля визначається відношен-
ням числового значення навантаження Р до площі поверхні відбит-
ка Твід та вимірюється в ньютонах на квадратний метр (Н/м2):
2Р
(5)
де В — діаметр кульки, мм;
сі — діаметр відбитка, мм.
Твердість матеріалу за методо м Р о к в е л л а визначають за
глибиною втискування у випробовуваний матеріал сталевої кульки
діаметром д. = 1,59 мм під навантаженням 100 кг або алмазного ко-
нуса з кутом при вершині 120° при навантаженнях 60 і 150 кг на
твердомірах.
Твердість за м е т о д о м В і к к е р с а визначають втискуванням
у випробовуваний матеріал алмазної піраміди з кутом при вершині
136° під навантаженням. В результаті на поверхні зразка залиша-
ється квадратний відбиток, довжина діагоналі якого характеризує
твердість матеріалу. Чим більша діагональ, тим менша твердість.
Діагоналі вимірюють за допомогою мікроскопа. Твердість за мето-
дом ВІккерса НУ визначають за таблицями залежно від довжини
діагоналей відбитка.
Пружність — це властивість матеріалу поновлювати свою фор-
му та об’єм після зняття дії зовнішніх сил, які викликають їх зміну
В’язкість — це здатність матеріалу поглинати механічну енер-
гію і при цьому проявляти значну пластичність аж до руйнування.
В’язкість оцінюють за допомогою приладу, який називається маят-
никовим копром. Зразок стандартної форми вільно встановлюють
на опори копра. Маятник масою Р піднімають на висоту та відпу-
скають. Маятник при падінні руйнує зразок, який по інерції
піднімається на деяку висоту /ц.
Робота удару в джоулях, яка витрачається па зламання зразка:
Шуд = Р(/22“ А |). (6)
Ударна в’язкість — це здатність матеріалу чинити опір ударним
навантаженням. За цією характеристикою оцінюють опір матеріалу
проти крихкого руйнування. При ударних навантаженнях напружен-
ня, що виникають у матеріалах, діють миттєво, тому їх важко визна-
чити. Для проведення випробовування беруть стандартний зразок,
на якому роблять надріз. Випробовування зразків проводять па
спеціальних установках — копрах маятникового типу. Зразок руй-
нують за допомогою маятника. Ударну в’язкість визначають за фор-
мулою, коли відома робота, яка витрачена маятником на руйнуван-
ня зразка, та площа поперечного перерізу зразка в місті надрізу:
Р(Н-И}
р ;4Н = Р(Я-Л), (7)
* к
де яи — ударна в’язкість, Дж/м2;
Ан — робота, витрачена на руйнування зразка, Дж;
Р — навантаження, шо створює маса маятника, Н;
Н — висота підняття центра ваги маятника, м;
И --висота підняття маятника після руйнування зразка, м;
— площа поперечного перерізу в місці надрізу, м2.
27
У вирооничпх умовах та Лп визначають за таблицями.
На ударну в’язкість не випробовують такі крихкі матеріали, як
чавун, силумін, загартовану інструментальну сталь.
Пластичність — цс властивість матеріалу деформуватися без
руйнування під впливом зовнішніх сил та зберігати нову форму
після зняття дії цих сил. Пластичні властивості зразка, що випробо-
вується, визначають при випробовуваннях на розтягування. Під
дією навантаження зразки видовжуються, при цьому поперечний
переріз їх відповідно зменшується. Чим більше видовжується зра-
зок при випробовуваннях, тим більш пластичний матеріал. Харак-
теристиками пластичності матеріалів є відносне видовження та
звуження зразків.
Відносним видовженням називають відношення абсолютного ви-
довження зразка до його початкової розрахункової довжини /о, що
визначена у відсотках:
Д/// = ^— 100%, (8)
ю
де /р — довжини зразка після розриву, м.
Відносним звуженням називають відношення абсолютного зву-
ження площі поперечного перерізу зразка після розриву до його по-
чаткової площі поперечного перерізу, визначену у відсотках:
8Р-8()
Ю0%. (9)
б О
Значення відносного видовження А/// та відносного звуження
Л$/$ для деяких матеріалів наведені в табл. 3.1.
Таблиця 3.1
Відносне видовження та звуження деяких матеріалів
Параметр Мідь Алюміній Синтетичні плівки Кабельні гуми Поліамідні смоли
Відносне видовження при розриві Д///, % 40 40 80 250 150
Відносне звуження Д$Д % 75 85 150 3000 4000
Для провідників, які використовуються в електровакуумних
приладах, важливою механічною характеристикою матеріалу є тем-
пературний коефіцієнт лінійного розширення ТК/, який дозволяє
визначити зміну будь-яких геометричних розмірів виробу (довжини,
ширини, товщини) при нагріванні. Але найлегше зміна розмірів ви-
робу при нагріванні фіксується за максимальними розмірами дов-
жини. Розрізняють температурний коефіцієнт лінійного розширен-
ня при даній температурі ТК/ та його середнє значення в інтервалі
температур сц (1/град):
ТК/=]-Д£; (10)
де /о, /т — геометричні розміри виробів, які відповідають температурам
То І Т.
Значення ТК/ твердих металів зростає при підвищенні темпера-
тури та наближає її до температури плавлення. Мінімальні значен-
ня ТК/ характерні для тугоплавких металів, які використовують
для вакуум-щільних спаїв зі склом, керамікою та іншими діелект-
ричними матеріалами.
Крихкість — цс здатність матеріалів руйнуватися при прикла-
данні різкого динамічного зусилля. У таких крихких матеріалів
явище пластичної деформації не спостерігається, тобто руйнування
зразка виникає за умови рівності границі текучості ст^ та границі
міцності при розтягуванні Яр. Значення відносного видовження та
відносного звуження для крихких матеріалів близькі до нуля.
До крихких матеріалів відносять скло, кераміку, порцеляну,
хром, марганець, кобальт, вольфрам та ін.
Міцність — це здатність матеріалу чинити опір дії зовнішніх сил
без руйнування. Залежно від характеру дії зовнішніх сил розрізня-
ють міцність на розтягування, стиснення, згин, кручення, повзучість
і втому. Найпоширенішим і найважливішим видом є випробову-
вання за допомогою статичної дії (розтягування) на матеріал на
спеціальних випробувальних установках, які називаються розрив-
ними машинами. Для випробовування на розтягання виготовляють
зразки у вигляді круглих стержнів або пластин чітко визначених
розмірів. Зразки закріплюють у затискачах розривної машини та
прикладають до них розтяжне навантаження.
Найменше напруження, за якого зразок деформується (тече)
без помітного збільшення навантаження, називається фізичною гра-
ницею текучості стр
о^Д/5о, (12)
де Р( — навантаження, яке відповідає фізичній граніті текучості, Н;
б'о — початковий переріз зразка матеріалу, м2
29
Напруження, яке відповідає найбільшому навантаженню Ед, що
передувало руйнуванню зразка, називається границею міцності при
розтягуванні стр:
= (ІЗ)
де — навантаження, яке відповідає трапи ні міцності, Н.
Питома міцність — це відношення границі міцності матеріалу
до його щільності. Наприклад, питома міцність алюмінієвих
сплавів, титану вища ніж сталі.
Втома — це руйнування матеріалу під дією невеликих повтор-
них або з накоз мінних навантажень (вібрацій). Так і навантаження
зазнають, наприклад, контакти, пружини. Під дією багаторазових
повторно-змінних (які змінюються тільки за значенням) та зна-
козмінних навантажень (стискування та розтягування) метал руй-
нується при напруженнях, значно менших ніж границя міцності,
тобто настає втома. Витривалість — це властивість металу витри-
мувати, без руйнування, велику кількість повторних або зна-
козмінних напружень.
Випробовування на витривалість виконують на спеціальних ма-
шинах, де зразки обертаються з одночасним прикладанням зги-
нальних навантажень, які створюють розтягування та стискування.
Повзучість — це здатність матеріалу до повільної і безперервної
пластичної деформації при дії постійного навантаження або напру-
ження.
3.2.2. Фізико-хімічні властивості провідникових матеріалів
До фізико-хімічних властивостей напівпровідникових ма-
теріалів відносять електропровідність, коефіцієнт термоЕРС, теп-
лопровідність, температуру плавлення, корозійну стійкість та ін. . •
Фізико-хімічні властивості оцінюють питомим електричним
опором р, питомою електричною провідністю у, температурним ко-
ефіцієнтом питомого електричного опору ТКр та коефіцієнтом
електропровідності..
Питомий електричний опір оцінює ступінь електропровідності
матеріалів для зразків правильної форми:
р К / ,
(14)
де Я — опір зразка, Ом;
б1 — площа поперечного перерізу, м2;
І — довжина зразка, м.
Величину р вимірюють в омах на метр (Ом-м), але для практич-
ної діяльності 1 Ом-м дуже велика величина, тому цей параметр
ЗО
частіш за все виражають у більш дрібних одиницях, наприклад, в
мікроомах на метр. Діапазон значень р металевих провідників (за
нормальної температури) від 0,016 для срібла до 10 мкОм-м для де-
яких сплавів.
Опір провідників на високих частотах суттєво більший ніж
опір на постійному струмі внаслідок того, що високочастотне поле
проникає у провідник на невелику глибину. Чим вище частота по-
ля, тим па меншу глибину воно проникає в провідник. Це явище от-
римало назву поверхового ефекту. За глибину проникнення струму
в провідник на даній частоті умовно приймають глибину, на якій гу-
стина струму зменшується у 2,7 рази порівняно з її значенням на
поверхні провідника.
Величину, зворотну питомому електричному опору р, назива-
ють питомою електричною провідністю у і вимірюють в См/м:
ї = 1/р. (15)
Питомий електричний опір металів залежить від температури.
Ця залежність визначається температурним коефіцієнтом пито-
мого електричного опору (І/град), який при даній температурі ви-
значається за формулою:
(16)
де Др — елементарний приріст опору провідника, що відповідає елементар-
ному приросту температури ДТ.
При підвищені температури у вузлах кристалічних ґраток мета-
левого провідника значно підсилюються коливання і під дією елек-
тричного поля появляється все більше перешкод на шляху направ-
леного руху вільних електродів. Тобто зменшується середня довжи-
на вільного пробігу електрона, зменшується рухомість електронів І,
як наслідок, зменшується питома провідність металів і зростає пи-
томий електричний опір.
Для чистих металів у твердому стані ТКр повинен бути близь-
ким до температурного коефіцієнта об’єму ідеальних газів, тобто
1/273 = 0,00367 К'1. При фазовому переході з одного агрегатного
стану в інший питомий електричний опір змінюється стрибко-
подібно. Проте у металів, густина яких при плавленні зменшується
(вісмут, сурхма та галій), питомий електричний опір при плавленні
знижується.
Середній температурний коефіцієнт питомого електричного
опору металів (1/град) в діапазоні температур:
«р - -р-
(17)
де р0, рт — значення р, яке відповідає температурам Го та Т.
31
Таблиця 3.2 |
Деякі фізичні властивості металів
Метал Питомий електричний опір р, мкОм-м Температурний коефіцієнт питомого елект- ричного опору ТКр -10-3, к-! Температура плавлення Гпл., °С Температурний коефіцієнт СЯ лінійного А розширення Я ТКр-106, к-1 Ц
Срібло 0,015 4.1 961 18,6 ' Я
Мідь 0,017 4.3 1083 16,6 -1
Золото 0,0225 з>9 1063 "
14,0 Ж
Алюміній 0,026 4-Г 660 21,0 Я
Берилій 0041 6,6 1280 ° ' 12,0 Ц
Натрій 0,042 5,5 98 72,0 /І
Магній 0,045 4,0 651 2",0 'Я
Молібден 0,05 4,3 2620 р. О ,-ЇЯ з.З .
Іридій 0,054 4.1 2410 6.5 І
Вольфрам 0,055 5,0 3400 / / '“Зі 4-4 'Я
Цинк 0,059 4,1 419 - .''/да, 30,0
Кобальт 0,064 6,0 1500 , ..... ........ 13.5 І
Калій 0,065 5,8 63 83,3 4
Нікель 0,068 6,7 1453 , 13,2 Д
Кадмій 0,074 4,2 321 29,0 'Я
Літій 0,086 4,5 180 56,0 ’
Індій 0,09 4.9 156 28,4 1
Залізо 0,097 6,2 1540 10,7
Платина 0,098 3,9 1770 9’5 . 3
Паладій 0,108 3,6 1550 9,5 |
Олово 0,113 4,5 232 23,0 ’В
Тантал 0,124 3,8 3000 6,6 ш — Лж'
Торш 0,13 3,4 1750
Хром 0,13 2,4 1900 6.2
Галій 0,136 3,9 ЗО ^-1 1
Ніобій 0,15 3,9 1470 7,2 |
Цезій . 0,19 5,0 28 97.0 1 4 ж
Свинець 0,19 4,2 327’ 28,3 :||
Реній 0,214 3,2 3180 6-7 1
Цирконій 0,41 4,4 1855 6,3 \і|
Титан 0,47 5,5 1670 8,1 | ш
Барій 0,5 3,6 710 19,0 |
Ртуть 0,958 0,9 -39 182.0 1 ’ ш
4 32 Ж
Якщо крізь пластину площиною 8 і товщиною Д/ за час і про-
ходить тепловий потік енергії 0, то між поверхнями протилежних
граней утворюється різниця температур Д7’, яка зв’язана з 0 відно-
шенням:
0-Х5^. (18)
Параметр X називають коефіцієнтом теплопровідності. Ко-
ефіцієнт теплопровідності провідників прямо пропорційний їхній
питомій провідності. Чим вища електропровідність металу тим
більша його теплопровідність. Тому тепловивідні пристрої (напри-
клад, потужних резисторів, напівпровідникових приладів) виготов-
ляють із металів з високою електропровідністю (мідь, алюміній та
сплави на їх основі).
Коефіцієнт термоЕРС. Між двома металевими провідниками,
що стикаються, виникає контактна різниця потенціалів. Це явище
використовують у термопарах, підбираючи провідники з великим
за величиною і стабільним коефіцієнтом термоЕРС. У багатьох ви-
падках цс явище небажане. Так, для обмоток вимірювальних при-
ладів і резисторів підбирають провідникові матеріали з малим ко-
ефіцієнтом термоЕРС щодо міді. Цс лає змогу уникнути появи у
вимірювальних схемах паразитних термоЕРС, які б могли виклика-
ти похибки у вимірюваннях.
Теплопровідність — цс здатність матеріалу передавати через
свою товщину тепловий потік, який виникає внаслідок різниці тем-
ператур на протилежних поверхнях. Теплопровідність залежить від
внутрішньої будови матеріалу.
Висока теплопровідність металів і сплавів порівняно з іншими
матеріалами пояснюється тим, що теплову енергію в металах пере-
носять вільні електрони, які знаходяться в постійному русі. Вільні
електрони зіштовхуються з іонами, що коливаються, і обмінюеоться
з нимЕї енергією. Коливання іонів, що підсилюються при нагріванні,
передаються електронами сусіднім іонам. При цьому температура
швидко вирівнюється за всією масою металу. Чим більше тепло-
провідність металу, тим швидше теплота при нагріванні поширить-
ся по всьому об’єму
Температура плавлення — це постійна температура при якій
твердий метал переходить у рідкий розплав при нормальному тис-
ку Температура плавлення матеріалів залежить від міцності зв’язку
між молекулами, іонами і вимірюється в великих межах (табл. 3.2).
Густина — це величина, що дорівнює відношенню маси речо-
вини до об’єму який заїімає речовина. Зеї густиною метали та
сплави поділяються на дві групи: легкі, густина яких не перевищує
5000 кг/мЗ, та важкі, густина яких більше 5000 кг/м-3. До легких
металів відносять алюміній, магній, титан і сплави на їх основі, до
важких — залізо, мідь, нікель, цинк, свинець і сплави на їх основі.
2 «Влектроматеріалознавство»
33
Корозійна стійкість — це властивість матеріалів не руйнуватись
під дією агресивного середовища. Ступінь корозійної стійкості ма-
теріалів характериз>гє швидкість корозії під впливом агресивного
середовища. Найбільшу хімічну стійкість проти умов навколиш-
нього середовища мають благородні метали (золота, платина, пала-
дій та ін.).
До технологічних властивостей відносять ковкість, зва-
рюваність, обробку різанням, рідкоплинність, усадку та ін. Техно-
логічні властивості визначаються комплексом фізико-хімнчних
властивостей матеріалу. Для визначення властивостей матеріалу
виконують відповідні лабораторні випробовування.
3.3. НАЙПОШИРЕНІШІ МАТЕРІАЛИ З ВИСОКОЮ
ПРОВІДНІСТЮ
До яайпоширених матеріалів із високою провідністю відносять
мідь, алюміній та його сплави. Технічні параметри цих матеріалів
практично задовольняють усі експлуатаційні і виробничо-техно-
логічні вимоги, що ставляться до виробів, які з них виготовляють.
3.3.1. Мідь та її сплави
Мідь Си — це в’язкий метал рожево-червоного кольору є одним
з найпоширеніших матеріалів з високою провідністю. Основні влас-
тивості міді, що забезпечують її високе використання, такі:
малий питомий електричні їй опір (із всіх металів тільки срібло має
питомий електричний опір на декілька відсотків менший, ніж у міді);
висока механічна міцність;
задовільна корозійна стійкість (навіть в умовах високої воло-
гості повітря мідь окиснюється значно повільніше, ніж, наприклад,
залізо; інтенсивне окпснення міді виникає тільки за високих темпе-
ратур);
добре піддається паянню та зварюванню;
добра оброблюваність (мідь прокатується в листи та стрічки і
протягується у дріт).
Найчастіше мідь отримують в результаті переробки сульфідних
руд. Домішки знижують електропровідність міді. Найшкідлнвіши-
ми з них є фосфор, залізо, миш’як. Вміст фосфору приблизно 0,1%
збільшує опір міді на 55%. Домішки срібла, цинку, кадмію збільшу-
ють опір на 1...5%. Тому мідь для використання в електротехніці
обов’язково піддають електролітичному очищенню.
Як провідниковий матеріал використовується мідь марок М1 та
М0. Мідь марки Мі містить 99,9% міді, не більше 0,1% домішок, у
загальній кількості яких кисню повинно бути не більше 0,08%. Мідь
марки МО містить домішок не більше 0,05%, у тому числі кисню не
більше 0,02%. Завдяки меншому вмісту кисню мідь марки МО має
кращі механічні властивості, ніж мідь марки МІ. Ще більш чистим
провідниковим металом (не більше 0,01% домішок) є вакуумна мідь
марки МВ, яка виплавляється у вакуумних індукційних печах.
Холодним протягуванням отримують тверду (твердотягнену)
мідь (МТ), яка має високу границю міцності при розтягу ванні,
твердість та пружність (при згинанні дроту з твердої міді вій трохи
пружинить).
Тверду мідь застосовують у тих випадках, коли необхідно забез-
печити високу механічну міцність, твердість та опірність стиранню:
для контактних проводів, шин розподільних пристроїв, для колек-
торних пластин електричних машин, виготовлення хвилеводів, ек-
ранів, струмо провідних жил кабелів та проводів діаметром до 0,2 мм.
Після відпалу до декількох сотень градусів (мідь рекри-
сталізується при температурі приблизно 270°С) з подальшим охо-
лодженням отримують м’яку (відпалену) мідь (ММ). М’яка мідь
має провідність на 3...5% вище, ніж тверда міль.
Основні властивості мідного дроту:
Марка МТ ММ
Густина, И, кг/м3 8,96-103 8,90-103
Питомий електричний
опір р, мкОм-м, не більший 0,0179...0,0182 0,0175
Границя міцності при розтягуванні Пр,
МПа, не менше 360...390 260...280
Відносне видовження
при розриванні А///, % 0,5...2,5 18...35
М’яку відпалену мідь використовують як електротехнічний стан-
дарт, по відношенню до якого питому електричну провідність металів
та сплавів виражають при температурі навколишнього середовища
20°С. Питома електрична провідність такої міді дорівнює 58 мкСм/м,
відповідно р = 0,017241 мкОм-м, при значенні ТКр - 4,3-10'3 Ю .
М’яка мідь широко застосовується для виготовлення фольги та
струмопровіднпх жил круглого та прямокутного перерізу в кабелях та
обмоткових проводах, де важлива гнучкість та пластичність (відсут-
ність «пружинсння» при згині), а міцність не має великого значення.
Із спеціальних електровакуумних сортів міді виготовляють ано-
ди потужних генераторних ламп, деталі надвисокочастотних при-
строїв: магнетронів, клістронів, деяких типів хвилеводів та Ін.
У випадках, коли ставляться вимоги до провідникового ма-
теріалу не тільки високої провідності, але й підвищеної механічної
міцності, корозійної стійкості та опірності стиранню, використову-
ють сплави міді з незначним вмістом легуючих домішок.
35
Бронзи — це сплави міді з домішками олова, фосфору, цинку,
свинцю, нікелю, алюмінію, марганцю, заліза, берилію, титану,
кремнію. У складі бронзи цинк не є основним легуючим елементом
і міститься в дуже невеликій кількості. Щодо електропровідності
бронзи поступаються міді, але переважають її за міцністю,
пружністю, опірністю проти стирання і стійкістю проти корозії. За-
лежно від технічного використання бронзи поділяються на ливарні
і деформувальні. З ливарних бронз методом лиття виготовляється
різні деталі. Деформувальні бронзи використовують для виготов-
лення різних профілів методом обробки тиском (прокату, штампов-
ка, кування).
Бронзи легко обробляються різанням і з’єднуються пайкою.
Для зміцнення бронзові деталі термообробляють, загартовують, а
потім відпускають при номінальних температурах.
Основні властивості деяких провідникових бронз наведені в
табл. 3.3.
Таблиця 3.3
Основні властивості деяких провідникових бронз
Параметр Кадмієаа Берилієва Фосфориста
Питома електропровідність по відношенню до електро- технічного стандарту, % 95/90 37/30 (10... 15)/ (10...15)
Границя міцності при роз- тягуваній, Ор, МПа До 310/730 (700...790)/ (1620...1750) 400/970
Відносне видовження при розриві 61/1, % 50/4 20/9 50/3
Примітка.
1. Склад кадмієвої бронзи 0,9% Сб, решта Си; берилієвої — 2,25% Ве, решта
Си; фосфористої — 0,1 % Р, 7% 8п, решта Си.
2. У чисельнику дані для відпаленої бронзи, в знаменнику — для твердотягненої.
Бронзи маркують буквами Бр (бронза), після яких проставляють
букви, що означають вид та кількість легуючих добавок. Наприк-
лад, берилієва бронза Бр.В2 (2 % берилію Ве, решта мідь Си; фос-
фориста бронза Бр. ОФ 6,5-0,15 (6,5 % олова Зп, 0,15 % фосфору Р,
решта мідь Си).
Введення у мідь кадмію дає суттєве підвищення механічної
міцності та твердості. При цьому питома електрична провідність у
знижується незначно.
Кадмієву бронзу МК (0,9 % кадмію Ссі, решта мідь Си)
застосовують для контактних проводів і колекторних пластин особ-
ливо відповідального призначення, а також зварювальних елект-
родів при контактних методах зварювання.
36
Берилієва бронза має ще більші, ніж кадмієва бронза,
механічну міцність, твердість та стійкість проти механічного спра-
цювання (границя міцності при розтягуванні стр до 1350 Мпа) і не
змінює своїх властивостей до температури приблизно 250°С. Вона
застосовується при виготовленні відповідальних струмопровідяих
пружин для електричних приладів, щіткотримачів, струмоштеп-
сельних і ковзних контактів.
Фосфориста бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5 % олова 8п,
0,15 % фосфору Р, решта мідь Си) відрізняється низькою електро-
провідністю. З неї виготовляють різні маловідповідальні струмо-
провідні пружини в електроприладах.
Латуні — це мідні сплави, в яких основним легуючим елементом
є цинк (до 43%).
Латуні, як і бронзи поділяються на ливарні і оброблювальні ти-
ском. Більшість латуней добре з’єднуються паянням, електричним і
газовим зварюванням.
Основні властивості деяких латуней*:
Сплав та його склад
Питома провідність щодо
електротехнічного стандарту міді, %
Л68 (68%Си, Л59-1 (59% Си,
32% Ип) 1%РЬ,40%7п)
46/30 30/20
Границя міцності при
розтягуванні сір, МПа
Відносне видовження при
розриві А///, %
380/880
65/5
350/450
25/5
Латуні значно міцніші та пластичніші міді і мають досить високе
відносне видовження перед розривом. Вони дешевші міді, оскільки
цинк, що входить до їх складу, має меншу вартість ніж мідь. У дея-
ких випадках для підвищення корозійної стій кості до складу спла-
ву в невеликій кількості вводять алюміній, нікель, марганець.
Латуні добре штампуються та легко піддаються глибокій ви-
тяжці тощо. Тому латунь широко застосовують в електротехніці для
виготовлення струмонровідних деталей (контакти термобіметале-
вого реле, екрани контурів, пластини повітряних конденсаторів
змінної ємності, ковпачки радіотехнічних ламп).
У позначеннях марок складних латуней після букви Л (позна-
чення латуні) ставляться букви, які вказують на наявність легую-
чих елементів (крім міді), наприклад ЛС 59-1 (59 % міді Си, 1%
свинцю РЬ, решта цинк 2п).
*В чисельнику дані для відпаленої латуні, в знаменнику — для твердо-
тягненої.
37
3,3.2. Алюміній та його сплави
Алюміній А1 — це сріблясто-білий легкий і пластичний метал.
Густина литого алюмінію близько 2600, прокатаного — 2700 кг/м3.
Алюміній має такі особливості:
питомий електричний опір р (при вмісті домішок не більше
0,05%) в 1,63 разу більший, ніж у міді, тому заміна міді алюмінієм
не завжди можлива, особливо в радіоелектроніці;
приблизно в 3,5 рази легше міді;
через високі значення його питомої теплоємності для нагріван-
ня алюмінію до температури плавлення та переведення у розплав-
лений стан необхідні більші витрати теплоти, ніж для нагрівання та
розплавленая такої ж кількості міді;
навіть при однаковій вартості алюмінію та міді в зливках
вартість алюмінієвого дроту майже вдвічі нижча за мідний, але ви-
користання алюмінію для виготовлення ізольованих проводів у
більшості випадків менш вигідне через витрати на ізоляцію;
на повітрі активно окислюється та вкривається тонкою оксид-
ною плівкою з великим електричним опором, яка захищає метал від
подальшої корозії, але утворює великий перехідний опір у місцях
контакту алюмінієвих проводів;
менш дефіцитний ніж мідь;
суттєвою вадою алюмінію як провідникового матеріалу є ного
низька механічна міцність; для її підвищення алюміній піддають
механічній обробці;
через наявність оксидної плівки неможливо виконувати паяння
алюмінію звичайними методами; для цього використовують спеці-
альні пасти-припої або ультразвукові паяльники;
прокатка, протягування та випал алюмінію аналогічні відповід-
ним операціям для міді;
електропровідність алюмінію значно знижується при наявності
в ньому домішок.
Алюміній високого ступеня чистоти (домішок не більше
0,001...0,01 %) марок А999 та А995 використовують для виготовлен-
ня анодної та катодної фольги електротехнічних конденсаторів і в
мікроелектроніці для отримання тонких плівок.
Менш чистий алюміній марок А97 та А95 (домішок не більше
0,03 %) використовують для корпусів електролітичних конденса-
торів, статорних і роторних пластин повітряних конденсаторів.
З алюмінієвої фольги та стрічки виготовляють екрани радіочастот-
них коаксіальних кабелів.
Промисловість випускає алюмінієвий дріт таких марок:
АТМ — твердий підвищеної міцності, АТ — твердий, АНТ —
напівтвердий, АМ — м’який.
Основні властивості алюмінієвого дроту:
Марка алюмінію
Густина И, кг/м3
Питомий електричний
опір р, мкОм-м, не більше
Границя міцності при розтягуванні
рр, МПа, не менше
Відіюсне видовження
при розриві А///, %
АТ АМ
2600...2700 2600...2700
0,0295 0.0290
160... 170 80
1,5...2,0 10...18
Зі зниженням твердості дроту в 1,9...2,7 разу зменшується гра-
ниця його твердості при розтягуванні. Максимальне значення гра-
ниці міцності рр алюмінієвого дроту більш ніж у 2 рази нижче
відповідного значення мідного. Через низьку механічну міцність
правильна експлуатація алюмінієвих проводів пов’язана з дотри-
мання хе таких умов: їх не можна тягнути по твердому ґрунту, скру-
чувати мідним дротом, забруднювати. У місцях контакта алюмінію
і міді можлива гальванічна корозія. Якщо область контакта
піддається дії вологи, то виникає місцева гальванічна пара з достат-
ньо високим значенням ЕРС. Тому місця з’єднання мідних
провідників з алюмінієвими необхідно ретельно захищати від воло-
ги (покриттям лаком тощо).
Алюмінієві сплави. Алюмінієві сплави одержують при дода-
ванні до алюмінію різних металів (мідь, магній, цинк, кремній,
літій), які мають високі показники механічних властивостей, малу
щільність, високу електро- і теплопровідність, а також корозійну
стійкість. Сплав альдрей (0.3...0,5 % міді Си, 0,4...0,7 % кремнію Зі,
0,2...0,3 % заліза Ее, решта алюміній АІ) має такі властивості:
підвищену механічну міцність (у 2 рази міцніше алюмінію, на-
ближаючись до тверд отягну тої міді рр = 350 МПа);
сплав зберігає легкість ‘чистого алюмінію та близький до нього
питомий електричний опір (р = 0,0317 мкОм-м);
більш високу границю вібраційної міцності порівняно з чистим
алюмінієм.
Сплав альдрей використовують для виготовлення проводів ма-
лонавантажених ліній електропередачі.
Магналій — міцний і корозійно стійкий сплав алюмінію з маг-
нієм, який має низьку густину. Використовується для виготовлення
стрілок різних електрорадіотехнічних приладів.
Силумін відноситься до груші ливарних сплавів з підвищеним
вмістом кремнію, міді та марганцю. Він має добру рідкоплинність,
малу усадку, велику густину та підвищену міцність порівняно з
алюмінієм і широко застосовується для корпусів повітряних кон-
денсаторів.
39
Дюралюмін добре оброблюється різанням, стійкий проти ко-
розії, має високі ливарні властивості. Для поліпшення механічних
властивостей у силумін вводять модифікатори — натрій або суміш
фтористих солей натрію і калію. Невелика кількість натрію (0,01%)
різко змінює структуру силуміну.
Силумін та інші ливарні сплави маркуються буквами АЛ і чис-
лом, що вказує порядковий номер сплаву (АЛ 1, АЛ5). Він належить
до деформувальнпх сплавів алюмінію з міддю, магнієм і марганцем.
Мідь і магній поліпшують механічні властивості сплаву, а марга-
нець збільшує твердість і корозійну стійкість, яка недостатня порів-
няно з іншими корозійними сплавами. Для захисту від корозії його
вкривають лаками, фарбами або шаром алюмінію.
У позначеннях дюралюміній після букви Д стоять цифри, що
вказують на наявність легуючих домішок, наприклад Д1 (3,8% міді
Сн, 0,4...0,8% магнію М& марганцю Ми).
Алюмінієві сплави, що обробляються тиском, поділяються на
незміцнювальні і зміцнювальні термічною обробкою. До незміцню-
вальних відносять сплави з марганцем та магнієм; до зміцнюваль-
них — дюралюміній. Зміцнення дюралюмінію виконують загарто-
вуванням і старінням. Так, найбільшу міцність сплав набуває в
стані неоднорідного твердого розчину, тому після загартування йо-
го піддають витримці при кімнатній температурі протягом 5...7 діб
або при температурі 150°С (штучне старіння) протягом декількох
годин. У результаті загартування і старіння механічні властивості
дюралюмінію підвищуються до показників середиьовуглецевої сталі.
3.4. МАТЕРІАЛИ З ВИСОКИМ ОПОРОМ
Як матеріали з високим опором використовують металеві спла-
ви типу твердих розчинів заміщення, металеві та вугільні плівки,
провідникові композиції. Матеріали високого опору за призначен-
ням можна поділити на провідникові резистивні матеріали, плівкові
резистивні матеріали, матеріали для термопар.
3.4.1. Провідникові резистивні матеріали
Провідникові резистивні матеріали розподіляють па сплави для
дротяних резисторів (манганін, константан) та для нагрівальних
елементів (ніхром, фехраль, хромаль).
До дротяних резистивних матеріалів висувають такі
вимоги:
питомий електричний опір при нормальній температурі не мен-
ше 0,3 мкОм-м та висока стабільність його значень з часом;
40
малий температурний коефіцієнт термоЕРС у парі з міддю;
малий температур ний коефіцієнт питомого електричного опо-
ру ТКр;
технологічність.
На відміну від матеріалів з високою провідністю (чистих
металів) резистивні матеріали є в основному сплавами з помітно
деформованими кристалічними ґратками, що характерно для твер-
дих розчинів металів. Для отримання дроту різного діаметра, який
використовується для виготовлення дротяних резисторів,
найбільшого поширення набули сплави на основі міді та нікелю.
Найважливіші електричні характеристики цих сплавів залежать від
процентного співвідношення міді та нікелю.
Манганін — порівняно пластичний сплав, який отримав свою
назву через вміст у ньому марганцю (від латин, шап^апит). Його
приблизний склад: мідь Сн — 85 % (великий вміст міді надає спла-
ву жовтого кольору), марганець Мп — 12 %, нікель Иі — 3%.
Основні властивості манганіну наведені втабл. 3.4.
Таблиця 3.4
Основні властивості провідникових сплавів з високим опором
Параметр Манганін Константан Ніхром
Густина Г), кг/м3 8400 8900 8200...8300
Питомий електричний опір р, мкОм-м 0,42...0,48 0,48...0,52 1,1...1,2
Температурний коефіцієнт пи- томого електричного опору ТКр, К'1 (6...50Н0"6 -(5...25)40'« (Ю0...200)40'6
Коефіцієнт термоЕРС у парі з міддю. мкВ/К 1...2 45...55 —
Границя мі і шості при розтягу- ванні Ор, МГІа 450...600 —“ 650...700
Відносне видовження при роз- риві А///, % 15...30 20...40 25...30
Робоча температура ТрОб,°С 200 400 1000
Для забезпечення невеликого значення температурного коефі-
цієнта питомого електричного опору ТКр та стабільності коефіці-
єнта питомого електричного опору р манганін піддають відпалу у
вакуумі при температурі приблизно 550...600°С протягом 10 годин
з подальшим повільним охолодженням. Інколи додатково відпалю-
ють намотані котушки при температурі 200°С.
Після прокатки, та волочіння із манганіну можна отримати дріт
діаметром 0,02 мм. При температурі 60°С манганіновий дріт почи-
нає окислюватись, тому його використовують у скляній ізоляції,
41
яка відрізняється високими електроізоляційними властивостями,
підвищеною нагріво- та вологостійкістю. Налагоджене промислове
виробництво твердого невідпаленого і м’якого відпаленого дроту.
Провід обмотко вий з манганіну круглого перерізу випускають
з емалевою, емалево-волокнистою та волокнистою ізоляцією.
Манганінові мікропроводн в скляній ізоляції використовують для
конструювання мініатюрних високоточних елементів, у тому числі
прецизійних резисторів великих номіналів. Скляна ізоляція відрізня-
ється високими електроізоляційними властивостями, підвищеними
термо- і вологостійкістю, стійкістю проти дії агресивних середовищ
(за винятком плавикової кислоти).
До недоліків манганінового мікропроводу відносять невисоку
відтворюваиість характеристик та знижену гнучкість через
крихкість скляної ІЗОЛЯЦІЇ.
Константан — це твердий розчин нікелю та міді, який отримав
свою назву за високу сталість коефіцієнта питомого електричного
опору р (константа) при зміні температури. Шкідливою домішкою
для константану є сірка 8, яка утворює з нікелем евтектику з низь-
кою температурою плавлення. При цьому зв’язок між зернами ком-
понентів, що сплавляються, порушується і переробка зливків у дріт
стає неможливою. Евтектика сприяє розвитку міжкристалічної
корозії. Для усунення шкідливого виливу сірки до складу сплаву
вводять марганець. Після гомогенізації* константанові зливки
піддають прокатці та волочінню і протягують у дріт діаметром до
0,02 мм. Орієнтовний склад константану: мідь Си — 58,5%, нікель
N1 — 40%, марганець Мп — 1,5%.
Основні властивості константану наведено у табл. 3.4.
Нагрівостійкість константану вища, ніж марганцю, гранично
допустима температура при тривалій роботі досягає 500°С. При
нагріванні до високих температур (приблизно 900°С) константан
окиснюється з утворенням оксидної ізолювальної плівки. Це дозво-
ляє використовувати його для виготовлення реостатів, резисторів
та електронагрівальних елементів без спеціальної міжвнткової ізо-
ляції, якщо робоча напруга між сусідніми витками невелика. Але у
парі з міддю константан утворює порівняно високу термоЕРС, що є
перешкодою використання коистантанових резисторів у точних
вимірювальних схемах. Але ця ж властивість константану дозволяє
використовувати його у парі з міддю для виготовлення термопар.
Константан застосовують для виготовлення потенціометрів, гасиль-
них резисторів.
Широкому використанню константану перешкоджає його підви-
щена вартість через великий вміст у ньому дефіцитного нікелю.
*Процес отримання однорідної будови або складу металів, сплавів,
розчинів та ін. ( від грец. Іюто^епез — однорідний).
42
Нікелін дешев ший константану оскільки він містить менше
нікелю (ЗО...35%). Нікелін легше оброблюється, але його питомий
опір нижчий, а температурний коефіцієнт вишнії, ніж константану.
Інколи використовують ще дешевші сплави, до складу яких вхо-
дить цинк — нейзильбер. Дріт з нейзильберу з домішкою цинку стає
крихким після нагрівання до 200...300°С.
До сплавів для електронагрівальних елементів
висуваються такі вимоги: високий коефіцієнт питомого електрич-
ного опору р, малий температурний коефіцієнт питомого електрич-
ного опору ТКр, тривала робота па повітрі за високих температур,
технологічність, невисока вартість і доступність компонентів.
До нагрівостійких сплавів відносять сплави на основі заліза,
нікелю, хрому та алюмінію. Висока нагрівостійкість цих сплавів до-
сягається завдяки введенню до їхнього складу досить великої
кількості металів, які при нагріванні на повітрі утворюють суцільну
оксидну плівку.
Ніхроми — це тверді розчини нікель — хром (N1 — Сг) або
потрійні сплави нікель —• хром — залізо (N1 — Сг — Ре).
Залізо вводять до сплаву для поліпшення оброблюваності та
зниження вартості, але на відміну від нікелю та хрому залізо легко
окиснюється, що призводить до зниження иагрі постій кості сплаву;
вміст хрому надає оксидам високу тугоплавкість. Близькість зна-
чень температурних коефіцієнтів лінійного розширення ТК/їхніх
сплавів та оксидних плівок підвищує стійкість хромонікелевих
сплавів при високих температурах повітря. Оксидні плівки
розтріскуються при різких змінах температури, в результаті чого
кисень з повітря проникає в тріщини, що утворилися, і спонукає
продовження процесу окисне пня. Тому при багаторазовому корот-
кочасному вмиканні електронагрівального елемента із ніхрому він
перегоряє значно швидше, ніж у випадку безперервної роботи при
цій самій температурі. Для збільшення терміну придатності труб-
частих нагрівальних елементів ніхромовий дріт вміщують у трубки
із стійкого до окиснення металу та заповнюють їх діелектричним
порошком з високою теплопровідністю (магиезін М§‘). Такі нагрі-
вальні елементи використовують, наприклад, в електричних
кип’ятильниках, які можуть працювати тривалий час.
Ніхромовий дріт використовують для виготовлення дротяних
резисторів, і юте н ці о метрів, паяльників, електропечей та плівко-
вих резисторів інтегральних схем. Використання дроту із ніхрому
в дротяних резисторах основане на тому, що вій має малий тем-
пературний коефіцієнт опору в широкому інтервалі температур,
невелику термоЕРС у парі з міддю, високу стабільність опору в
часі.
Як і константани, ніхромн містять велику кількість дорогого ні-
келю.
43
Хромоалюмінієві сплави фехраль та хромаль набагато дешевші
ніхромів, оскільки хром та алюміній порівняно дешевші та менш
дефіцитні. Але вони менш технологічні, більш тверді та крихкі. З них
виготовляють дріт великого діаметру та стрічки з великим попереч-
ним перерізом, тому їх використовують в електронагрівальних при-
строях великої потужності та промислових електричних печах.
3.4.2. Плівкові резистивні матеріали
Плівкові резистивні матеріали широко використовуються при
виготовленні постійних і змінних резисторів різних типів. Власти-
вості резистивних плівок значно відрізняються від властивостей
вихідних матеріалів. Тонкі резистивні плівки наносять на ізо-
ляційну основу (підкладки) методом термічного випаровування у
вакуумі; катодним реактивним та іоноплазменпим розпилюванням,
електрохімічним і хімічним осадженням та ін. Як основу викори-
стовують скло, кераміку, ситал, полікор, шаруваті пластики та ін.
До матеріалів, які використовуються для виготовлення плів-
кових резисторів, висувають такі вимоги: можливість виготов-
лення стабільних у часі резисторів з низьким температурним ко-
ефіцієнтом питомого електричного опору ТКр, виражена адгезія
до підкладок, висока корозійна стійкість проти тривалої дії висо-
кої температури.
Залежно від складу вихідних матеріалів плівкові резистори
поділяються на метало плівкові і металооксидиі, композиційні, вуг-
лецеві.
Для виготовлення металоплівкових і металооксидних резис-
торів використовують тугоплавкі метали тантал, титан, нікель,
хром, паладій, реній, вольфрам та сплави на їхній основі.
М е т а л о п л і в к о в і резистори мають такі властивості:
товщина тонких резистивних плівок — 1...10 мкм;
підвищені значення питомого поверхневого опору р|г;
низькі значення температурного коефіцієнта поверхневого
електричного опору ТКрь;
температурний коефіцієнт питомого електричного опору ТКр
плівок, товщиною менше декількох нанометрів від’ємний;
дрібнозерниста структура;
питомий об’ємний опір плівок залежить від товщини і більший,
ніж у вихідних матеріалів.
Залежно від товщини плівок та умов їх нанесення параметри
металоплівкових резисторів можна регулювати в широкому діапа-
зоні. Для підвищення електричного опору резистивних плівок з ти-
тану та танталу їх наносять реактивним розпилюванням в азоті,
кисні або вуглеці, тобто суміщають процеси одержання провідних
та діелектричних шарів в одному циклі з використанням одного і
того самого матеріалу. При окисненні на поверхні металевих плівок
утворюються оксиди титану та танталу, які мають виражені діелект-
ричні властивості.
Плівкові резистори з ренію та вольфраму отримують методом
катодного розпилювання та захитають тонким шаром діоксиду
кремнію для стабілізації електричного опору. Такі плівкові резисто-
ри мають наступні властивості: електричний опір у декілька тисяч
Ом на квадрат поверхні, низький температурний коефіцієнт пито-
мого електричного опору ТКр, високу стійкість проти окиснення,
здатність працювати при високих питомих навантаженнях,
здатність працювати при підвищених температурах.
Як резистивні матеріали на основі металів використовують
багатокомпонентні металосялінієві сплави з високим питомим
електричним опором, іцо містять кремній 8і. Для підвищення
питомого електричного опору до їх складу вводять до 20% ланта-
ноїдів*. Вихідні матеріали у вигляді порошків старанно змішу-
ють і вміщують у випаровувальні установки термовакуумного
напилювання. При випаровуванні виникає реакція між оксидом
лантаноїду та кремнію, в результаті якої отримують силіцід лан-
таноїду Ьа8І2 та моноокспд кремнію 8іО (випаровується одно-
часно з металосиліцієм).
Сплави марки РС містять кремній та легуючі компоненти
(хром, нікель, залізо). їх випускають у вигляді сипких порошків з
розмірами частинок 40...70 мкм та використовують для одержання
тонкоплівкових, у тому числі і прецизійних мікросхем загального
та поодинокого використання.
Сплави марки М'ЛТ містять кремній, хром,. залізо, нікель,
алюміній, вольфрам та деякі з них — лантаноїди. їх випускають у
вигляді дрібнозернистих порошків. Ці сплави розроблені спеціаль-
но, як рсзпстявний матеріал, для тонкоплівкових резисторів. Вони
мають високу стійкість проти окиснення і дії різних хімічно актив-
них середовищ. Сплави МЛТ використовують для виготовлення
дискретних резисторів поверхневого типу, тонкоплівкових резис-
торів у мікросхемах широкого призначення.
Ксрметні резистивні плівки містять провідникову та діелект-
ричну фази. Ці плівки наносять методом випаровування у вакуумі
сумішей порошків металів (Сг, N1, Ре) та оксидів (8ІО2. N102,
N6903). Від співвідношення цих компонентів залежать основні вла-
стивості резистивних плівок.
Керметні резистори мають добру однорідність властивостей та
підвищену термостійкість.
*14 хімічних елементів, наступних в Періодичній системі хімічних еле-
ментів Д. І. Менделєєва за лантаном (лантан + еісіоз від греп. образ, вид).
Металоокспдні матеріали утворюють резистивні
плівки, які мають високу термостійкість. Для виготовлення таких
резистивнпх плівок найширше використовують матеріали па основі
діоксиду олова (811О2). Осадження плівок діоксиду олова на ізоляцій-
ній підкладці проводять хімічним способом з хлористих сполучень
8пСІ2 та 8пСЦ, Кристали хлористого олова 8пС1г піддають
гідролізу* при температурі 72О...73О°С і пари, що утворилися, впу-
скають у камеру, яка нагріта до такої самої температури, На по-
верхні ізоляційних підкладок, які знаходяться у камері, утво-
рюється плівка діоксиду олова ЗпО?.
Плівки діоксиду олова можна наносити па ізоляційні підкладки
також термічним випаровуванням з подальшим прогріванням при
повільному зростанні температури.
Плівки діоксиду олова мають добру адгезію до ізоляційних
підкладок та високу кислотостійкість.
Композиційні резистивні матеріали — не механічні суміші
дрібнодисперсних порошків металів та їхніх сполук з органічною та
неорганіч ною з в ’яз кою.
Як провідникову фазу використовують провідники (оксиди
срібла, паладію, карбіди кремнію, вольфраму).
Як сполучні речовини використовують термопластичні та тер-
мореактивні полімери, порошкоподібне скло, неорганічні емалі.
Композиції, що містять органічні сполучні речовини, утворю-
ють композиційні резистивні плівки, які доступні для дії вологи та
підвищеної температури. Гранична робоча температура резпстпв-
них плівок но вище 150°С.
Композиції з неорганічними сполучними елементами після,
спікання при високих температурах утворюють композиційні рези-
стивні плівки з високою волого- та теплостійкістю до температури
350°С. Але верхня межа опорів резисторів знижується, збільшується
нелініїішсть і власні шуми.
До недоліків композиційних резистивнпх плівок належать під-
вищений рівень особистих шумів, залежність опору від частоти та
старіння при тривалому навантаженні. Композиційні резистивні
матеріали у вигляді плівкових покрить і об’ємних виробів викорис-
товують для виготовлення постійних і змінних резисторів.
Вуглецеві матеріали використовують як плівковий резистпвний
матеріал у вигляді провідних модифікацій вуглецю: природного
графіту, сажі, піролітпчного** вуглецю.
* Реакція іонного обміну між різними речовинами та водою (від грец.
кусіог— вода, волога),
**Піроліз (від грец. риг — вогонь) — переробка органічних речовин
нагріванням при високих температурах без доступу повітря, що супровод-
жується їх розщепленням.
46
І
Піролітичнпй вуглець отримують розкладанням вуглеводнів
при високій температурі у вакуумі або середовищі інертного газу.
Піролізу піддають, як правило, вуглеводні метанового ряду, які при
високих температурах розкладаються з утворенням на ізоляційних
підкладках піролітпчного вуглецю. За структурою та властивостя-
ми піролітпичний вуглець близький до графіту.
Піролггпчпі резистивні плівки вуглецю мають такі властивості:
товщина не більше 6... 10 мм, висока стабільність параметрів,
стійкість проти імпульсних перевантажень, низький рівень шумів,
від’ємний температурний коефіцієнт питомого електричного опору
ТКр, невелика залежність електричного опору від прикладеної на-
пруги та частоти, відносно низька собівартість.
3.4.3. Матеріали для термопар
Матеріали для термопар поділяються на матеріали для термо-
електронів і матеріали для подовжувальних (компенсаційних про-
водів). Щоб отримати чутливу термопару, для термоелектронів
вибирають матеріали, які суттєво відрізняються один від одного за
значенням абсолютної термоЕРС.
Матеріали для термопар вибирають за такими характеристиками:
допустима робоча температура спаю ТСп;
питомий коефіцієнт електричного опору р;
температурний коефіцієнт питомого електричного опору ТКр;
коефіцієнт термоЕ РС.
Для виготовлення термопар найчастіше використовують спла-
ви, наведені в табл. 3.5.
Таблиця 3.5
Характеристики сплавів для виготовлення термопар
Параметр Копель Хромель Платинородій Алюмель
Склад сплаву 44% Мі; 56% Си 90 % Ні: 10 % Ст 90% РС; 10 % Ші 95% Иі; 5% АІ, Зі, КЬ
Питомий коефіцієнт елект- ричного опору р, мкОм-м 0,465 0,66 0,19 0,305
Термопари можуть використовуватися для вимірювання
таких температур: до 350°С — мідь-констаптан, мідь-копель; до
600°С — залізо-константан, залізо-копель, хромель-копель; до
9ОО...1ООО°С — хромель-алюмель; до 1600°С — илатинородій-
платина.
Дріт, виготовлений із сплаву алюмель, використовують для тер-
моелектронів термопар, а із сплаву хромель і копель—для термоелек-
тродів і компенсаційних проводів термопар. Точність вимірювання
47
термопарами залежить від багатьох факторів, Так, точність вимі-
рювання термопарою мідь-констаитан залежить від однорідності
констаитанового електрода та від поперечного перерізу дроту. Як
показали дослідження, постійність характеристик більш товстого
дроту більша, ніж тонкого. Тому для термопар рекомендується
використовувати копстантановип дріт діаметром не менше 0,25 мм,
а мідний діаметром не менше 0,15 мм.
Для вимірювання кріогенних температур можна використову-
вати термопару залізо—золото.
Для вимірювання високих температур використовують термо-
пари вольфрамо-репієві (до 2800°С), вольфрамо-ірпдієві (до 2100°С),
молібдене-вольфрамові (до 2000°С), молібден-нікілеві (до 1150°С)
таіп. Вимірювання високих температур виконують у вакуумі, водні
та, інертних газах.
3.5. БЛАГОРОДНІ МЕТАЛИ ТА ЇХНІ СПЛАВИ
До благородних металів належить срібло, платина, паладій, зо-
лото. Внаслідок хімічної інертності щодо умов навколишнього се-
редовища і впливу агресивних речовин вони є незамінними для ви-
готовлення відповідальних електричних контактів виводів інтег-
ральних мікросхем і напівпровідникових приладів термометрів
опору, термопар нагрівальних елементів, що експлуатується в особ-
ливих умовах.
Основні властивості благородних металів наведені в табл. 3.2.
Срібло А,ц — білий блискучий метал з нижченаведеними вла-
стивостями:
висока електропровідність (питомий електричний опір при нор-
мальній температурі р - 0,016 мкОм-м);
має високі механічні властивості (границя міцності при роз-
тягуванні Ор = 200 МПа, відносне видовження при розриві А///
приблизно 50%), що дозволяє виготовляти провідники різного
діаметра, включаючи і мікропроводи діаметром 20 мкм та менше;
при впалюванні або напиленні утворює .міцні покриття на
діелектриках;
при підвищених температурах і вологості атоми срібла мігрують
по поверхні та всередині діелектрика, що викликає порушення
роботи пристроїв;
хімічна стійкість нижча, ніж у інших благородних металів;
утворює оксиди з високою електропровідністю;
утворює плівки сірчаних сполук з підвищеним питомим опо-
ром, що вимагає захисту срібного покриття лаком або тонким
шаром більш стійкого металу (наприклад, паладію);
гостродефіцитний матеріал.
Срібло — пластичний матеріал, піддається механічній та плас-
тичній обробні всіх видів . Добре паяється звичайніш припоєм. При
нормальних умовах срібло практично не окпснюється. При темпе-
ратурі вище 200°С починається окисненпя з утворенням А§зО і
А§0 . Срібло сполучається з сіркою (А§2$) навіть при звичайній
температурі. Тому, елементи зі срібла не рекомендується викорис-
товувати поблизу з речовинами, які містять сірку (вулканізована
гума, ебоніт та ін.). У концентрованих сірчаній та азотній кислотах
срібло розчиняється.
Як провідниковий матеріал використовують сплави срібла:
срібло-платинові (3,6... 12,6% платини Рі); срібло-паладієві
(19,6...40,5% паладію Реї); срібло-мідні (2,7,..50,5% міді Си).
Успішно використовують також сплави срібло-магній-нікель,
срібло-магній-цирконій та іп.
Срібло використовують у виробництві конденсаторів у чистому
вигляді та сплавах як матеріал для слабкострумових контактів,
у вигляді гальванічних покриттів у відповідальних ВЧ і НВЧ
пристроях і тонких струмопровідних плівок у печатних платах,
у монтажних проводах. Срібло входить до складу тугоплавких
срібних припоїв.
Платина Рґ — світло-сірий метал з шіжченаведеними властиво-
стями:
не сполучається з киснем;
найбільш хімічно стійкий (стійкий проти більшості кис-
лот);
має високу пластичність (границя міцності при розтягуванні
після відпалу ар приблизно 150 МГІа, відносне видовження при
розриві А///ЗО...32%);
легко піддається механічній обробці;
утворює спаї з легкоплавким склом завдяки близькості коефі-
цієнтів лінійного розширення;
використовується рідко через високу вартість.
Через високу вартість, а також для надання виробам необхідних
властивостей, платину використовують у сполуках з паладієм,
іридієм, родієм, рутенієм, міддю, нікелем та ін.
Платино-,мідні сплави (2,2...8,9% міді) використовують для
потенціометрів; плати по-паладієві (9,6...20,5% паладію) — для кон-
тактів ПОТЄНЦІОМЄТрІВ припоїв.
Платину використовують як матеріал для сіток у потужних
генераторних лампах, при виготовленні термопар у парі з клатино-
родієм для вимірювання високих температур (до 1600°С), для
особливо тонких ниток (діаметром приблизно 1 мкм) в рухомих
системах електрометрів. Платина входить до складу провідних
паст, впалюючи які на монолітні керамічні конденсатори виготов-
ляють електроди.
Паладій Реї — білий пластичний метал, за своїми властиво-
стями близький до платини, у багатьох випадках замінює платину.
У відпаленому стані має границю міцності на розтягування ор - 200
МПа при відносному розтягуванні на розрив А///до 40%.
Паладій легше, ніж інші платинові метали, піддається хімічному
впливу. Він добре розчиняється в суміші соляної та азотної кислот
(НСІ: НЬЮз = 1 : 3).У концентрованій гарячій азотній кислоті і в
концентрованій сірчаній кислоті розчиняється при 300°С. При на-
гріванні до 700°С паладій окислюється. При кімнатній температурі
реагує з вологим хлором і бромом, а з сіркою — при температурі
червоного розжарення.
Паладієво-вольфрамовпй сплав (20% вольфраму) застосову-
ється в малогабаритних резисторах змінного опору як резпетивний
матеріал. Порошки срібно-паладієвнх сплавів і чистого паладію
використовують як провідниковий компонент паст, що використо-
вують для створення товстоплівкових резисторів у гібридних
інтегральних мікросхемах.
Електроди па керамічних конденсаторах виготовляють впалю-
ванням паладієвої насти одночасно з платиновою. Паладій та його
сплави з сріблом і міддю використовують як контактні матеріали.
Завдяки високій проникності для водню його використовують в
електровакуумній техніці для очищення водню.
У деяких галузях промисловості використовують також сплави:
паладієво-ірпдієві, паладієво-срібні, пал ад і є во-срібпо-кобальтові та
паладієво-срібио-мідпі.
Золото Аи — не метал жовтого кольору з такими властиво-
стями:
має високу пластичність (відносне видовження при розриві
Д//7 40%), що дозволяє отримувати фольгу товщиною 0,08 мкм і
менше (це у 250 разів тонше волосини людини);
корозійна стійкість до утворення сірчаних плівок за кімнатної
температури та при нагріванні;
хімічна стійкість.
Золото розчиняється тільки в суміші соляної і азотної кислот
(НСІ : НИОз = 1 : 3), хлорній воді, ціаністих розчинах, безводній
селеновій кислоті.
Золото у чистому вигляді та у вигляді сплавів з платиною,
сріблом, нікелем, цирконієм, які мають підвищену твердість,
виражену ерозійну та корозійну стій кість, використовують для
виготовлення прецизійних контактів, малогабаритних реле,
електродів фотоелементів, для вакуумного напилювання тонких
плівок напі вирові дппкових і гібрид но-плівкових інтегральних
схем, позолочення контактних поверхонь електронних ламп
НВЧ, корпусів мікросхем, припоїв.
50
3.6. ТУГОПЛАВКІ МЕТАЛИ
До тугоплавких відносять метали з температурою плавлення по-
над 1700°С. Ці метали хімічно стійкі при низьких температурах, але
при підвищених температурах активно взаємодіють з атмосферою.
Тому вироби з них експлуатуються у вакуумі або в середовищі інерт-
них газів (аргон Аг, азот N2 та ін.). Механічна обробка тугоплавких
металів утруднена через їх підвищену твердість і крихкість.
Тугоплавкі а [стали (хром Сг, вольфрам V/, ренії і Ке, молібден Мо,
тантал Та, титан Ті, ніобій N6, цирконій 2 г, гафній Сі) застосовують
в електровакуумній техніці, напівпровідниковому виробництві та
мікроелектроніці, для рухомих контактів І як матеріал для надпро-
відників. Основні властивості деяких тугоплавких металів наведені у
табл. 3.2.
Хром Сг — твердий тугоплавкий метал сіро-стального кольору
з такими властивостями:
має високе значення об’ємного коефіцієнта оксидації, тому при
нагріванні на повітрі утворює практично суцільну оксидну плівку;
температурні коефіцієнти лінійного розширення хромо-нікеле-
впх сплавів і їх оксидних плівок мають близькі значення, тому вони
стійкі при високих температурах.
Хром входить до складу ніхромІв та Інших сплавів для нагрі-
вальних елементів, а також до складу нержавіючих, жароміцних і
кііслотості йких сталей.
Із тонких плівок хрому виготовляють резистори та адгезійні
підшарп для контактних площадок І струмопровідних комунікацій
в інтегральних схемах, а також світлонепроникні шари фотошаб-
лонів. Металевий хром використовують для одержання тонко-
плівкових резисторів.
Вольфрам Л¥ — це світло-сірий метал, який а гає: такі власти-
вості:
найвища температура плавлення;
дуже висока густина;
найменше значення температурного коефіцієнта лінійного роз-
ширення ТК7 з усіх чистих металів, які застосовуються у вакуумній
техніці;
порівняно дорогий, обробляється з труднощами І тому викори-
стовується там, де його не можна замінити.
Вольфрам отримують з вольфрамової руди в результаті склад-
ної технологічної обробки. Порівняно товсті вольфрамові вироби з
дрібнокристалічною структурою дуже крихкі внаслідок високої
міцності окремо взятих кристалів при дуже слабкому їхньому зчеп-
ленні між собою.
Волокниста структура металу, що утворюється куванням і воло-
чінням, забезпечує високу механічну міцність та гнучкість тонких
вольфрамових ниток, діаметр яких може бути меншим 10 мкм.
Вольфрам має високу температуру плавлення, малу швидкість ви-
паровування та задовільну механічну міцність у розжареному стані.
Тому його використовують в електровакуумних приладах переваж-
но при високих температурах. Серед усіх чистих металів, які вико-
ристовуються у вакуумній техніці, вольфрам має найменше лінійне
розширення. Ця його властивість є суттєвою при виготовленні
термічно узгоджених спаїв вольфраму з тугоплавкими стеклами,
які теж мають низький коефіцієнт лінійного розширення. Основ-
на сфера використання вольфраму — виготовлення ниток розжарю-
вання освітлювальних ламп, катодів прямого та непрямого розжа-
рювання потужних генераторних ламп, рентгенівських трубок, роз-
микальних контактів реле, випарників для нанесення у вакуумі
тонких плівок різних матеріалів. Для контактів в апаратах великої
потужності використовують металокерамічні матеріали на основі
порошку вольфраму.
Реній Ке — сірувато-білий рідкоземельний метал. У природі
реній зустрічається у вигляді домішок у сульфідних мінералах. Він
має такі властивості:
корозійна стійкість (до температури ІООО’С не окисшоється);
мала випаровуваність при високих температурах у середовищі
технічного вакууму.
За тугоплавкістю реній займає друге місце після вольфраму.
Пластичний в ливарному та рекристалізованому станах реній
піддається холодній деформації. При гарячій деформації на
повітрі спостерігається його ломкість. Реній та його сплави ви-
користовують у виробництві електроламп І електровакуумних
приладів.
У радіоелектроніці реній використовують для захисту від корозії
та спрацювання деталей з міді, срібла, нікелю, вольфраму, молібде-
ну. Тонкі плівки ренію використовують для створення прецизійних
резисторів в інтегральних мікросхемах.
Молібден Мо — близький за своїми властивостями до вольфра-
му метал, але майже у 2 рази легший за нього. Він має такі власти-
вості:
найнижчий питомий електричний опір р з усіх тугоплавких
металів;
допустима робоча температура нижча, ніж у вольфраму;
окислення починається при температурі 500°С.
Отримують молібден з руди молібденіту М02З за приблизно
такою самою технологією, що і вольфрам.
Структура кованого та тягнутого молібдену подібна зі структу-
рою зразка вольфраму. Проте відпалений дрібнозернистий моліб-
ден має добру пластичність і його механічна обробка не викликає
особливих труднощів.
Через високу міцність, твердість і пластичність молібден є одним
із кращих матеріалів для виготовлення деталей складної конфігурації,
які експлуатуються при високих температурах. В електровакуумних
приладах електроди з молібдену мають робочу температуру 1000°С.
Молібден використовують для виготовлення анодів і сіток гене-
раторних ламп, гачків для підтримування вольфрамових ниток, теп-
ловідводів у корпусах потужних ВЧ та НВЧ напівпровідникових
приладів, розривних електричних контактів. У парі з вольфрамом
молібден слугує для виготовлення термопар, які розраховані на ви-
мірювання температур до 2000°С в інертних середовищах і вакуумі.
Тантал Та — сірувато-білий надпровідниковпй метал, який має
такі властивості:
ковкість;
в’язкість;
висока пластичність навіть при кімнатнії! температурі;
на відміну від вольфраму та молібдену допускає холодну ме-
ханічну обробку та зварювання;
як електровакуумний конструкційний матеріал витримує тем-
пературу до 1200°С;
здатний поглинати гази в електровакуумному приладі.
Тантал утворюється при електролізі* фтортанталату калію.
Прокатуванням отримують танталову фольгу для електролітичних
конденсаторів товщиною у декілька мікрон.
Його також застосовують як матеріал для нагрівників та випар-
ників, які використовуються в технології вакуумного нанесення
тонких плівок. Зважаючи па велику вартість, тантал використову-
ють для виготовлення відповідальних виробів складної форми, які
працюють у вакуумі у напруженому тепловому режимі.
В основному тантал використовують в електровакуумній
промисловості для виготовлення анодів і сіток генераторних ламп,
нрямоканальнпх катодів складної форми, не розпилювальних газо-
поглипальників, допоміжних деталей електровакуумних приладів,
тонкоплівкових резисторів в інтегральних схемах.
Титан Ті має такі властивості:
пластичність;
порівняно високу механічну міцність;
високу газопогли пальну здатість, особливо при нагріванні до
температури 500°С.
Його одержують при термічній дисоціації** йодистих сполук.
* Розкладання речовини при проходженні постійного електричного
струму В промисловості методом електролізу одержують велику кількість
металів.
**Розпад молекул на декілька більш простих частинок — атомів, ради-
калів або іонів (від латин, сіізхосіпґе — роз’єднання, розділення).
53
Чистий титан є пластичним і в’язким металом. Він легко під-
дається гарячому куванню, холодному прокатуванню, волочінню,
витяжці, обробці різанням, точковому зварюванню. Титан стійкий
на повітрі до 700°С; при розжарюванні вище 800°С в кисні спа-
лахує.
Титан використовується для порошкоподібних покриттів моліб-
денових і вольфрамових електродів електровакуумних приладів,
які працюють при високих температурах.
Титанові сплави утворюються в результаті легування титану
алюмінієм, залізом, хромом, марганцем, оловом та іншими метала-
ми і мають такі властивості: низьку густину, високу корозійну
стійкість, міцність, низькі ливарні властивості, задовільно оброб-
люються різанням твердосплавним інструментом, зварюються ар-
гонодуговпм і контактним зварюванням. Деякі титанові сплави
зміцнюють термічною обробкою.
Ніобій N5 — це метал сірувато-білого кольору, який має такі
властивості:
пластичність;
добре піддається механічній обробці;
у зливках при кімнатній температурі не піддається корозії, але
його порошок помітно окпснюється на повітрі.
Ніобій —- порівняно дорогий метал і тому використовується
тільки у відповідних електровакуумних приладах. Цей метал та
його сполуки мають порівняно високу температуру переходу в над-
провідииковий стан (чистий ніобій — 9°К, сполуки — до 22°К).
Ніобій використовується для виготовлення катодів генератор-
них ламп, анодів, керуючих сіток, надпровіднії кових магнітів, НВЧ
резонаторів і хвильоводів тощо.
Цирконій 2г — сріблясто-білий метал. У природі зустрічається
у вигляді мінералів цирконію. Металевий цирконій технічної чис-
тоти має виражену пластичність і в’язкість, легко піддається про-
катці, волочінню, обробці тиском і різанням, зварюється точковим
зварюванням в інертному газі.
Характерною особливістю цирконію є його здатність при тем-
пературі 400...1500°С поглинати всі гази, крім інертних, з утворен-
ням стійких хімічних сполук. Висока концентрація цирконового
пилу у повітрі пожежонебезпечна, оскільки порошкоподібний цир-
коній за температури вище 75°С легко спалахує.
Гафній СГ — метал, який за зовнішнім виглядом нагадує сталь,
має добру пластичність і ковкість; стійкий проти окиснення до тем-
ператур приблизно 950°С.
Його використовують як домішок до вольфраму, молібдену,
танталу для підвищення терміну їх використання, а також для виго-
товлення ниток розжарювання електричних ламп, катодів рент-
генівських трубок.
54
3.7. ПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ
РІЗНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
Залізо Ге має такі властивості:
вищий порівняно з міддю та алюмінієм питомий електричний
опір (р приблизно 0,1 мкОм-м), що обмежує можливість викорис-
тання заліза як провідникового матеріалу;
високий температурний коефіцієнт питомого електричного
опору ТКр;
високу механічну міцність;
малу вартість і доступність матеріалу;
велику магнітну проникність і високу індукцію насичення;
технологічність (добре штампується та обробляється на всіх
металообробних верстатах).
Залізо використовують при розробці нагрівостійких сплавів і
сплавів з високим опором, до яких залізо входить як необхідна
складова частина. Його використовують також в електровакуумних
приладах як матеріал для анодів, екранів та інших елементів, які
працюють при температурах до 500°С.
Як феромагнітний матеріал залізо є основним і найдешев-
шим компонентом магнітних матеріалів. Внаслідок низького
електричного опору залізо використовують при виготовленні
виробів, що призначені для роботи тільки в постійних магнітних
полях.
Сталі. Вуглецеві сталі — це сплави, які містять залізо, вуглець і
невелику кількість домішок.
Вуглець визначає структуру та властивість сталі. Зі збільшен-
ням вмісту вуглецю підвищується твердість і знижується в’язкість,
тепло- та електропровідність.
За вмістом вуглецю сталі поділяються на низьковуглецеві
(0,2%), середньовуглецеві (від 0,3 до 0,65% ) і впсоковуглецеві (від
0,65 до 2%).
У вуглецевій сталі, крім основної домішки — вуглецю, завжди
присутні постійні домішки: крем пі й 8 і (0,1...0,37%); марганець Мп
(0,2..'0,8%); сірка 8 (0,03...0,06%); фосфор Р (0,03...0,07%).
Кремній сприяє вилученню бульок у зливках, підвищує
опірність розриву та пружні властивості сталі, а також підвищує
твердість.
Марганець підвищує твердість сталі та опірність розриву, змен-
шує видовження та погіршує зварюваність сталі.
Сірка є шкідливою домішкою. Присутність сірки в кількості ви-
щій за допустиму погіршує міцність, пластичність і корозійну стій-
кість, збільшує стирання та спрацювання виробів. Фосфор також
шкідлива домішка. З підвищенням його вмісту у сталі виникає
55
крихкість при звичайних температурах та з’являються тріщини при
ударній деформації, погіршуються механічні властивості, утворю-
ються крупнозернисті структури.
Вміст кисню у сталі не перевищує сотих часток відсотка. При
підвищенні вмісту кисню збільшується крихкість сталі.
За призначенням вуглецеву сталь поділяють на конструк-
ційну та інструментальну. Вуглецеві конструкційні сталі мають
високу міцність, пластичність і в’язкість, а також виражені техно-
логічні властивості: легко обробляються тиском, добре зварюють-
ся і термообробляються. Такі сталі бувають звичайної якості і
якісні.
Вуглецеві сталі звичайної якості за призначенням поділяються
на группи А, Б і В.
Сталь групи А поставляють із гарантованими механічними
властивостями без уточнення хімічного складу, тому її не піддають
термічній обробці.
Сталь групи Б поставляють із гарантованим хімічним складом,
тому її можна піддавати термічнії! обробці.
Сталь групи В поставляють із гарантованими механічними
властивостями і хімічним складом. Ця сталь термообробляється.
Вуглецеві якісні конструкційні сталі поставляються з гарантова-
ними механічними властивостями і хімічним складом. Вони підда-
ються термообробці. Порівняно з вуглецевою сталлю звичайної
якості ця сталь має менше шкідливих домішок сірки і фосфору.
Основне призначення інструментальної сталі — це виготовлення
різноманітних інструментів. Низьковуглецеві сталі використову-
ють при виробництві напівпровідникових приладів та інтегральних
мікросхем для виготовлення корпусів і кріпильних деталей. Конст-
рукційні сталі використовують для виготовлення деталей машин і
механізмів. Для виготовлення корпусів напівпровідникових при-
ладів використовують низьковуглецеву сталь у вигляді стрічок тов-
щиною від 0,05 до 2,5 мм та шириною до 400 мм.
У позначеннях низьковуглецевих сталей після слова «Сталь»
ставлять цифру, що вказує вміст вуглецю. Наприклад, Сталь 10
(містить вуглецю 0,1%).
До складу легованих сталей на відміну від вуглецевих, крім
вуглецю, заліза і звичайних домішок входить визначена кількість
добавок, які надають сталям особливих властивостей. Ці добавки
називаються легуючими елементами. До легуючих елементів відно-
сять вольфрам, хром, молібден, мідь, кремній, алюміній, бор, цир-
коній, нікель, ванадій, марганець, кобальт, титан, фосфор, ніобій.
Властивості сталей залежить від вмісту в них легуючих добавок .
Вольфрам підвищує твердість, міцність, покращує різальні власти-
вості сталей при високих температурах. Нікель і хром покращують
механічні властивості, підвищують жаростійкість і корозійну
56
стійкість сталей. Молібден покращує механічні властивості сталі
при нормальній і підвищених температурах, а ванадій покращує
пластичні властивості сталей. Марганець підвищує твердість,
зносостійкість, опірність ударним навантаженням сталей, кремній —
пружні властивості сталей, збільшує кислотостійкість сталей.
Кобальт збільшує ударну в’язкість і жаростійкість сталей, а титан —
жаро- і кислотостійкість сталей.
Нержавіючі хромонікелеві сталі застосовують у металоке-
рамічних конструкціях корпусів напівпровідникових приладів та
інтегральних мікросхем у парі з міддю або коваром.
Ковар — сплав нікелю, кобальту і заліза. Температурний коефі-
цієнт лінійного розширення ковару близький до скла і кераміки, що
необхідно при з’єднанні ковару з цими матеріалами.
Залі зо нікелеві сплави порівняно з коваром більш пластичні і
менше піддаються ерозійному розтріскуванню під дією срібних
припоїв. Деталі залізо нікелевих сплавів добре зварюються між
собою, а також з коваром, нержавіючою сталлю.
Натрій N3. Натрій відноситься до перспективних провіднико-
вих матеріалів і має такі властивості:
питомий електричний опір натрію в 2,8 разу більший, ніж міді,
та в 1,7 разу більший, ніж алюмінію;
низька густина (він легший води, густина його у 9 разів менше
густини міді), тому провід з натрію при даній провідності на одини-
цю довжини при нормальній температурі значно легший, ніж з
будь-якого іншого матеріалу;
хімічно активний (він інтенсивно окислюється па повітрі та
бурхливо реагує з водою);
м’який;
мала границя міцності при розтягуванні та інших деформаціях.
Натрієвий провід герметизують у пластмасові (поліетиленові)
оболонки, що підвищує його механічну міцність та утворює елект-
ричну Ізоляцію.
Ртуть — єдиний чистий метал, який при нормальній темпе-
ратурі знаходиться у рідкому стані. Він має такі властивості:
легко випаровується навіть за кімнатної температури, і пари її
дуже шкідливі;
використання парів ртуті у газорозрядних приладах зумовлено
більш низьким потенціалом іонізації порівняно із звичайними та
інертними газами;
чиста ртуть та її сполуки відноситься до отруйних речовин;
у ртуті добре розчинюються лужні та рідкозсмельні метали
(магній, алюмініії, цинк, олово, свинець, кадмій, платина, срібло,
золото);
у ртуті слабо розчинюються мідь і нікель;
у ртуті не розчинюються залізо та титан.
57
Одержують ртуть металургійним способом. При цьому її бага-
іх фазово очищують. Остаточним етапом є перегонка очищеної
ртуті у вакуумі при температурі приблизно 200°С.
Використовують ртуть у лампах денного світла, для ртутних
контактів реле, як рідкий катод у ртутних випрямлячах, у ртутних
лампах.
Основні властивості ртуті наведені у табл. 3.2.
Галій Са — твердий і крихкий блискучий метал з сірувато-зеле-
ним відтінком, який плавиться майже при кімнатній температурі.
Відмінні особливості галію — це великий температурний інтер-
вал V рідкому стані (2200°С) і низький тиск пари при температурі
до І100...1200°С.
На повітрі при звичайній температурі галій стійкий. При темпе-
ратурі вище 260°С у сухому кисні спостерігається повільне окис-
нення (плівка оксиду захищає метал). Розплавлений при темпера-
турі вище 300°С, галій взаємодіє з конструкційними металами і
сплавами.
Використовують галій у напівпровідниковій техніці як легуючу
домішку для германію, він входить до складу низькотемпературних
припоїв. Сплави індію з галієм з температурою плавлення нижче
18°С використовують як рідкі провідникові матеріали для нанесен-
ня електродів на різні діелектричні та напівпровідникові матеріали,
а також як рідкі контакти в установках шовного контактного зварю-
вання при герметизації корпусів мікросхем.
Основні властивості галію наведено у табл. 3.2.
Індій Іп — сріблясто-білий метал з низькою температурою плав-
лення.
Він використовується як акцепторна домішка та контактний
матеріал у виробництві транзисторів і напівпровідникових при-
ладів, а також входить до складу низькотемпературних припоїв і
рідких струмопровідних контактів (наприклад, в установках шов-
ного контактного роликового зварювання).
Індій використовують також для антикорозійних покриттів.
Тонкі плівки індію використовуються як електродний матеріал у
виробництві плівкових фоторезисторів та інших елементів.
Основні властивості індію наведено у табл. 3.2.
Олово 8п — сріблясто-білий метал, який має чітко виражену
кристалічну будову. Олово має такі властивості:
при згинанні палички олова відчувається тріскання, що викли-
кається тертям кристалів один об одпий;
при нормальній температурі олово на повітрі не окиснюється;
розведені кислоти діють на олово повільно;
стійке при температурі вище 13,2’С.
Олово, яке кристалізується у тетрагональну систему з густиною
7310 кг/м3, називають білим. Біле олово має такі властивості:
границя міцності змінюється від 16 до 38 МПа;
при низьких температурах на білому олові з’являються сірі плями
(виділення другої модифікації сірого олова з густиною 5600 кг/м3),
які називають олов’яною чумою;
при нагріванні сіре олово знову переходить у біле;
якщо нагріти олово до температури вище 160°С, то воно перехо-
дить у третю (ромбічну) модифікацію та стає крихким.
Олово — м’який, тягучий метал. з якого у результаті прока-
тування одержують тонку фольгу. Для полегшення прокатування
та покращання механічної міцності в олово вводять присадки
(до 15% свинцю та до 1% сурми). Тонку олов’яну фольгу (6...8 мкм)
з присадками використовують у виробництві декількох типів
конденсаторів. Олов’яно-свинцеву фольгу завтовшки 20...40 мкм
використовують для обкладок у слюдяних конденсаторах.
Олово широко використову.ть у більшості м’яких (низькотемпе-
ратурних) припоїв. В основному олово є носієм донорних елементів.
Так, воно є практично єдиним носієм фосфору.
Сплави на основі або з добавкою олова широко використову-
ються у виробництві приладів з кремнію, германію, арсеніду галію.
Основні властивості олова дивись у табл. 3.2.
Кадмій Ссі — сріблясто-білий метал, який є постійним складо-
вим елементом у рудах цинку і добувається як побічний продукт
при одержанні цинку. Як і цинк, кадмій піддають електролітичному
очищенню. Найбільш чистий метал містить 99,997% кадмію. Він
входить до складу низки припоїв і бронз.
Використовується для виготовлення (фотоелементів, покриття
НВЧ хвильоводів замість срібла, гальванічних елементів, а також в
атомних реакторах як уповільнювач.
Основні властивості кадмію наведено у табл. 3.2.
Свинець РЬ — м’який метал сіруватого кольору з високим пито-
мим електричним опором та крупнокристалічною будовою. Його
кристали при протиранні азотною кислотою стають видимими
навіть неозброєним оком. Свинець має такі властивості:
на свіжому зрізі має сильний металевий блиск, але швидко
тьмяніє на повітрі внаслідок поверхневого окиснення;
високу пластичність;
низьку міцність (границя міцності при розтягуванні 0р при-
близно 14 МПа за відносного видовження А/// більше 55%);
високу корозійну стійкість (свинець не пропускає воду);
свинець та його сполуки отруйні.
Свинець — найм’якшнп серед важких металів. Цей метал можна
кувати, плющити в холодному стані і прокатувати в фольгу, бо він
надзвичайно пластичний. Але, разом з тим, його тягучість
настільки мала, що витягнути з нього тонкий дріт практично не-
можливо.
59
У напівпровідниковій технології свинець використовують як
складову частину різних припоїв.
Завдяки високій корозійній стійкості свинець у великих кілько-
стях використовують для виготовлення кабельних оболонок, що
захищає кабель від вологи. Його застосовують також для виготов-
лення плавких запобіжників, пластин свинцевих акумуляторів та
як матеріал, що поглинає рентгенівські промені.
Недоліком свинцю, як електродного матеріалу для контактів з
напівпровідниками, є його низька теплопровідність і високий тем-
пературний коефіцієнт лінійного розширення.
Основні властивості свинцю наведено у табл. 3.2.
Цинк 2п — пластичний метал світлого кольору, який має такі
властивості:
при нормальній температурі порівняно стійкий проти корозії;
при нагріванні до температури 200°С стає крихким.
Його одержують металургійним методом з подальшим елект-
ролітичним очищенням. Високоочищений метал містить 99,99%
цинку.
Цинк використовують як захисне покриття для інших металів
(наприклад, заліза), у фотоелементах, а також для металізації паперу
у металопаиерових конденсаторах. Нанесення металевого шару на
папір виконують в процесі випаровування цинку у вакуумі при
температурі приблизно 600°С.
Основні властивості цинку наведено у табл. 3.2.
Нікель N1 — міцний, в’язкий і пластичний (після відпалу)
метал. Він не окпснюється на повітрі, а з киснем починає взаємо-
діяти при температурі 500°С.
Нікель добре піддається обробці тиском (кування, волочіння,
прокатування, штампування, витягування) навіть у холодному стані,
що дає можливість одержувати точні вироби складної форми.
Нікель добре полірується механічними методами та елект-
ролітичним травленням.
Основна маса металевого нікелю використовується у вироб-
ництві різних сплавів: жаростійких, магнітних, сплавів з особливи-
ми властивостями. Жаростійкі сплави нікелю не змінюють своїх
механічних характеристик при високих температурах
(1ООО...11ОО°С).
Магнітні сплави нікелю здатні інтенсивно намагнічуватися
навіть у слабких полях внаслідок високої початкової магнітної про-
никності.
Сплави нікелю з особливими властивостями унікальні. Напри-
клад, інвар (36% N1, 0,5% Мп, 0,5% С, решта Ре) практично не роз-
ширюється при нагріванні до 100°С, а коефіцієнт термічного роз-
ширення платиніту (45% N1, 0,15% С, решта Ре,) такий, як у скла, і
використовується для впаювання металічних контактів у скло.
3.8. НАДПРОВІДНИКИ ТА КРЇОПРОВІДНИКИ
Під надпровідністю розуміють ефект раптового, стрибкоподібно-
го зникнення електричного опору постійному електричному струму,
провідникового матеріалу при досягненні певної критичної темпе-
ратури. Відомо більше тисячі різних сплавів та сполучень, у яких
можливий перехід у надпровідний стан. До них відносять чисті ме-
тали, сплави, інтерметалеві сполуки та деякі діелектричні матеріали.
3.8.1. Надпровідники
При зниженні температури питомий електричний опір металів
зменшується і за дуже низьких (кріогенних) температур електро-
провідність металів наближається до абсолютного нуля.
У 1911 р. при охолодженні кільця із замороженої ртуті до тем-
ператури 4,2°К голландський вчений Г. Каммерлінг-Оннес виявив,
що електричний опір кільця раптово падає до дуже малого значен-
ня, яке неможливо виміряти. Таке зникнення електричного опору,
тобто поява нескінченної питомої провідності матеріалу, було на-
звано надпровідністю. Матеріали, що мають властивість переходи-
ти у надпровідний стан при їх охолодженні до досить низької тем-
ператури, почали називати надпровідниками. Критична температу-
ра охолодження, за якої виникає перехід речовини у надпровідний
стан, називають температурою надпровідного переходу, або кри-
тичною температурою переходу 7кр. Перехід у надпровідний стан є
зворотним. При підвищенні температури до Ткр матеріал повер-
тається до нормального стану.
Особливість надпровідників полягає у тому, що одного разу
наведений у надпровідному контурі електричний струм буде три-
валий час (роками) циркулювати по цьому контуру без помітного
зменшення своєї сили і без будь-якого
енергії ззовні. Подібно постійному ма-
гніту такий контур утворює у навколиш-
ньому середовищі магнітне поле.
У 1933 р. німецькі фізики В. Майснер
та Р. Оксенфельд виявили, що надпровід-
ники при переході у надпровідний стан
стають ідеальними діамагнетиками, тоб-
то їх магнітна проникність р стрибком
падає від р =1 до р = 0. Тому зовнішнє
магнітне поле не проникає у надпро-
віднпкове тіло. Якщо перехід матеріалу в
надпровідний стан відбувається у магніт-
ному полі, то коле «виштовхується» із
надпровідника (рис. 3.4).
60
!
додаткового підведеїгня
Рис. 3.4. Магнітне поле
з введеним у нього
надпровідником
61
з
ї
і
Відомі надпровідники мають дуже низькі критичні температури
переходу Ткр. Тому пристрої, в яких використовуються надпро-
відники, повинні працювати в умовах охолодження рідким гелієм
(температура зрідження гелію при нормальному тиску приблизно
4,2° К). Це утруднює та збільшує вартість виробництва та експлуа-
тації надпровіднпкових матеріалів.
Крім ртуті, надпровідність властива й іншим чистим металам
(хімічним елементам) та різним сплавам і хімічним сполукам. Про-
те такі матеріали, як срібло та мідь, при найнижчих температурах,
що досягнуті у наш час, перевести у надпровідний стан не вдалося.
Можливості використання явища надпровідності визначаються
значенням температури переходу у надпровідний стан Ткр та кри-
тичної напруженості магнітного поля Нкр.
Надпровідникові матеріали поділяються на м’які та тверді.
До м’яких надпровідників відносять чисті метали, за винятком
ніобію, ванадію, телуру.
Основний недолік м’яких надпровідників — це низьке значення
критичної напруженості магнітного поля Якр. В радіотехніці м’які
надпровідники не застосовуються, оскільки надпровідний стан у
цих матеріалах зникає уже в слабких магнітних полях за невеликої
густини струму.
До твердих надпровідників відносять сплави з спотвореними
кристалічними ґратками. Вони зберігають надпровідність навіть при
відносно великих густинах струму та сильних магнітних полях. Вла-
- стивості твердих надпровідників були відкриті в середині XX сто-
річчя і до теперішнього часу проблема їх дослідження і використання
є однією з найважливіших проблем науки та техніки.
Тверді надпровідники мають низку особливостей:
при охолодженні перехід у надпровідний стан виникає не різко, як
у м’яких надпровідників, а протягом деякого температурного інтервалу;
деякі з твердих надпровідників мають не тільки порівняно висо-
ке значення критичної температури переходу Ткр, але п відносно ви-
соке значення критичної магнітної індукції Вкр;
зі зміною магнітної індукції може спостерігатися проміжний
стан між надпровідним і нормальним;
мають тенденцію до розсіювання енергії при протіканні крізь
них змінного струму;
залежність властивостей надпровідності від технологічних ре-
жимів виготовлення, чистоти матеріалу та досконалості його кри-
стал і ч ної с тру кту р 11.
За технологічними властивостями тверді надпровідники поді-
ляють па такі види:
порівно леї
і стрічки [ніобій
|ц
і
ііі
£3
.ж
Ц
*
>і
>1
Мі
І
І
І
1|
Ж і
ш
Ж 4
.7
о деформуються, що дає змогу виготовляти дріт
сплави ніобію-титан (МЬ-Ті), ваиадій-галій
‘,<#Л
$
'ШХ
важко піддаються деформації через крихкість матеріалів, з яких
отримують вироби методами порошкової металургії (і нтер металеві
матеріали тішу станіду ніобію N63811).
Часто надпровідникові проводи покривають «стабілізуючою»
оболонкою з міді або іншого металу, що добре проводить електрич-
ний струм і тепло. Це дає можливість уникнути пошкоджень
основного матеріалу надпровідника при випадковому підвищенні
температури. У ряді випадків використовують композитні над-
провідникові проводи, у яких велика кількість тонкйх нитко видних
надпровідників вміщено у масивну оболонку із міді або іншого не-
надпровідникового матеріалу Плівки надпровіднпкових матеріалів
мають особливі властивості:
критична температура переходу Ткр в багатьох випадках значно
перевищує Ткр об’ємних матеріалів;
великі значення граничних струмів, що протікають крізь над-
провідник Ткр;
менший температурний інтервал переходу у надпровідний
стан.
Надпровідники використовують при створенні: електричних
машин і трансформаторів малих мас та розмірів з високим ко-
ефіцієнтом корисної дії; кабельних ліній для передачі енергії вели-
кої потужності на великі відстані; хвпльоводів з особливо малим
згасанням; накопичувані в енергії та пристроїв пам’яті; магнітних
лінз електронних мікроскопів; котушок індуктивності з печатним
монтажем. На основі плівкових надпровідників створенні і ряд за-
пам’ятовуючих пристроїв та елементів автоматики та обчислюваль-
ної техніки. Обмотки електромагнітів з надпровідників дозволяють
отримувати максимально можливі значення
магнітного поля.
Властивості деяких надпровіднпкових матеріалів наведені в
напруженості
Таблиця 3.6
Основні властивості деяких надпровіднпкових матеріалів
Параметр М'які надпровідники Тверді надпровідники
АІ Нд РЬ ІЧЬ 44%МЬ+56%ІЧі 50%МсІ+50%2г У3Са ИЬ3Зп
Найбільше значення:
температури переходу Гкр, К 1,2 42 7,2 9.4 8,7 9.5 14 18
магнітної індукції переходу ВкрО, Тл 0,010 0,041 0,080 0.195 12 11 50 22
63
3.8.2. Кріопровідники
Деякі матеріали можуть досягати при низьких (кріогенних)
температурах надто малого значення питомого електричного опору р,
який у сотні та тисячі разів менший, ніж питомий електричний опір
при нормальній температурі. Матеріали, що мають такі властивості,
називаються кріопрові дітками (гтерщювідітками). Фізично явище
кріопровідності не подібне до явища надпровідності.
Густина струму в кріопровідниках при робочих температурах у
тисячі разів перевищує густину струму в них при нормальній тем-
пературі, що визначає їх використання у сильиострумових електро-
технічних пристроях, до яких ставляться підвищені вимоги щодо
надійності та ішбухобезпечиості.
Використання кріопровідішків в електричних машинах, кабе-
лях та ін. N[36 суттєві переваги порівняно з надпровідниками. Якщо
у надпровіднпкових пристроях як охолоджувальний агент викори-
стовують рідкій і гелій, робота кріопровідішків забезпечується зав-
дяки більш висококиплячпми та дешеві [.ми холодоагентами —
рідким воднем або навіть рідким азотом. Це спрощує та здешевлює
виробництво та експлуатацію устаткування. Проте необхідно вра-
ховувати технічні труднощі, які шшикають з використанням рідкого
водню, якійі здатний утворювати за відповідного співвідношення
компонентів вибухонебезпечну суміш з повітрям.
Як кріопровідники використовують мідь, алюміній, срібло або
золото.
3.9. НЕМЕТАЛЕВІ ПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ
Неметалевими матеріалами, що мають властивості провідників
і використовуються як провідникові матеріали, є природний графіт,
сажа, піролітичпий вуглець, боровуглецеві плівки.
3.9.1. Матеріали для електровугільних виробів
До електротехнічних вугільних виробів (скорочено електро-
вугільні вироби) відносять щітки електричних машин, електроди
для прожекторів та електролітичних ванн, аноди гальванічних еле-
ментів, мікрофони, що містять вугільний порошок, вугільні високо-
омнІ резистори, розрядники для телефонних мереж.
Первинною сировиною для виробництва електровугільних ви-
робів є графіт, сажа та антрацит.
П р и р о д н и й гра ф і т — кристалічна речовина, одна з форм
вуглецю шаруватої структури (відомо три видозміни вуглецю:
алмаз, графіт та аморфний вуглець — вугілля).
64
Графіт утворює шаруваті кристалічні ґратки, кожний шар яких
являє собою шестикутну зірку з розміщеними у вузлах атомами
ьуглсшо. Окремі шари віддалені один від одного на більші відстані,,
•ііж атоми між собою в середині кожного шару тому графіт легко
відшаровується, що важливо для роботи ковзних контактів. Цю
властивість використовують також при виготовленні сухих мас-
тильних матеріалів на основі графіту. Його фізичні властивості у
напрямку шаруватості і перпендикулярно до неї різні. Графіт має
такі властивості:
у напрямку шарів електропровідність графіту має «металічний»
характер (р = 8 мкОм-м, ТКр-140*3 К'1):
зі збільшенням температури міцність графіту збільшується;
в повітрі горить при температурі 6ОО°С;
при нагріванні до температури 170°С з повітрям не взаємодіє;
не взаємодіє з сірчаною, соляною, плавиковою кислотами та
«царською водкою»;
з концентрованою азотною кислотою вступає в реакцію, а в
сумішах з концентрованими азотного та сірчаними кислотами
графіт розчиняється і утворює графітову кислоту;
з розплавленими лугами не взаємодіє.
Добувають природний графіт збагаченням спеціальних руд.
Штучні графіти отримують перекристалізацією вугілля при
температурі 22ОО...25О()°С. У багатьох випадках їм надають перева-
гу над природними, оскільки штучні графіти мають дуже чистий
склад, а їх вартість не перевищує вартості природних графітів.
Вироби з графіту можна використовувати тільки в інертному
середовищі або у вакуумі при температурі до 2000°С, а в середовищі
кисню із діокепду вуглецю — при температурі до 500°С.
Основні характеристики природного графіту наведені в табл. 3.7.
Графіт виготовляють у вигляді пруття, пластин, брусків.
Таблиця 3.7
Основні властивості природного графіту
Параметр Монокристал графіту відносно базисних площин Полікристал ічний графіт
вздовж упоперек
Густина 0, кг/м3 2000 2400 2260
Пито мі і й електричний о п і р р, мкОм-м 0,4 100 8
Температурний коефіцієнт, К’1: ТКр -9-10-4 -4-10-2 -140-3
тк/ 6,6-10-6 2,6-10-6 7,5-10-6
З а і їл е ктр ом ате ріал оз н авст во *
Піролітичний вуглець одержують у процесі термічного розкла-
дання без доступу кисню (піролізу) газоподібних вуглеводнів у
камері, де знаходяться скляні або керамічні заготовки основ для'
недротяних резисторів. Піролізу піддають, як правило, вуглеводні
метанового ряду, які мають властивість при високих температурах
розкладатися з утворенням на ізоляційних підкладках вуглецю.
В технологічних процесах виготовлення недротяних резисторів
найчастіше використовують метан, пари бензину або гептану. На
відміну від монокристалічного графіту структура піролітичного
вуглецю не має чіткої періодичності в розміщенні атомних шарів
при збереженні їх паралельності. Відстань між атомами вуглецю у
піролітичного вуглецю менша, ніж у графіту. Піролітичний вуглець
складається з окремих полі кристалічних конгломератів, які осад-
жуються на поверхні ізоляційної основи (підкладки).
Основні властивості плівок піролітичного вуглецю:
товщина плівок, см, не більше 1О’С;
густина І), г/см3 2,05;
питомий електричний опір р, Ом-см 1,5-10’5;
температурний коефіцієнт:
ТКр*,К-і -2-10-4 (-4-10-4);
ТК4К-1 6,6-10-6.
Структура та властивості плівок піролітичного вуглецю зале-
жать від:
температури розкладання вуглеводнів (зі збільшенням темпера-
тури піролізу виникає збільшення кристалів вуглецю, вміст у ньому
різних домішок і зменшення питомого електричного опору р);
швидкості проведення реакції піролізу;
шорсткості рельєфу поверхні підкладки;
глибини вакууму.
Піролітичні плівки вуглецю мають такі властивості:
високу стабільність параметрів;
низький рівень шумів;
незначний та незмінний температурний коефіцієнт опору;
незначна залежність опору від прикладеної напруги;
стійкість проти імпульсних перенавантажеиь;
відносно низька собівартість.
У результаті піролізу борорганічних сполук [В(С4Н9)3 або
В(СзН7)3] одержують боровуглецеві плівки з малим температур-
ним коефіцієнтом питомого електричного опору ТКр.
Природний графіт, сажу, піролітичний вуглець і боровуглецеві
плівки використовують як провідний матеріал для недротяних ліній-
них резисторів, які повинні мати малу залежність електричного опо-
ру від напруги та високу стабільність при підвищеній температурі
* Зі збільшенням товщини плівки абсолютне значення ТКг зростає.
66
та вологості. Не дротяні резистори відрізняються від дротяних
меншими розмірами та високою верхньою границею номінального
опору, Вугільні матеріали використовують для виготовлення щіток.
Щітки призначені для утворення ковзного контакту між неру-
хомими та обертальними частинами електричних машин. Різні мар-
ки щіток відрізняються за значенням питомого електричного опору,
допустимою густиною струму, коефіцієнтом тертя, лінійною
швидкістю на колекторі, складом, технологією виготовлення,
розміром (контактна поверхня щітки, яка прилягає до колектора,
може мати розміри від 4x4 до 35x35 мм, висота щітки 12...70 мм).
Промисловість випускає щітки різних марок: вугільно-графітні,
графітні, електрографітовані, тобто піддані графітуванню; мідно-
графітні з вмістом міді, шо призводить до зниження електричного
опору та незначного контактного падіння напруги між щітками і
колектором.
Сажі — це дрібнодисперсний вуглець з домішками смолистих
речовин. Лаки з домішками вуглецю мають широкий діапазон пито-
мого електричного опору (0,01...400 Ом-м).
Для одержання стержньових електродів сажу та графіт змішують
із в’яжучими матеріалами, для цього використовують кам’янову-
гільну смолу, а інколи рідке скло. Одержану масу продавлюють че-
рез мундштук або пресують у відповідних прес-формах і піддають
термообробці. Від режиму відпалу залежить форма, в якій вуглець
знаходиться у виробі. При високих температурах відпалу (2200°С)
вуглець штучно перетворюється у графіт, розміри кристалу графіту
збільшуються, підвищується провідність матеріалу і знижується
його твердість. Цей процес називається графітуванням.
Антрацит — блискуче, чорного кольору викопне вугілля з
найбільш високим ступенем зміни структури в низці кам’яного
вугілля. Горить незначним полум’ям, майже без диму, не спікається.
Антрацит використовують у вигляді вугільних порошків і вугіль-
них матеріалів.
Вугільні порошки для мікрофонів одержують дробленням ант-
рациту. Питомий електричний опір порошку залежить від розмірів
зерен, щільності засипання порошку у форму і режимів термооб-
робки. Дрібнозернисті порошки одержують після просіювання
крізь сито з 52 отворами на 1 см2 , а крупнозсрішсті — крізь сито з
45 отворами на 1 см2. В процесі випалу при температурі 600...800°С
збільшується питомий електричний опір порошку. Питомий елект-
ричний опір дрібнозернистого порошку р = 0,4 Ом-м.
Вугільні матеріали (подрібнений антрацит зі зв’язкою) для
вугільних електродів, що призначені для роботи при високих тем-
пературах, випалюють при температурах 3000°С.
Особливістю вугільних виробів є те, що воші мають від’ємний
температурний коефіцієнт питомого електричного опору ТКр.
З* 67
3.9.2. Провідні та резистивні композиційні матеріали
Провідні композиційні матеріали — це механічні суміші дріб-
нодисперсних порошків металів та їхніх сполук з органічною або
неорганічною зв’язкою.
Композиційні матеріали поєднують в собі низку цінних власти-
востей:
великий питомий електричний опір, що має незначну залежність
від температури;
можливість керування електричними властивостями зі зміною
складу;
порівняно просту технологію виготовлення.
Основні недоліки композиційних матеріалів — це підвищений
рівень власних шумів, залежність опору від частоти, старіння за
умови тривалого навантаження.
Провідні композиційні матеріали використовують у вигляді
паст або порошків. За призначенням їх можна розподілити на ком-
позиційні матеріали для одержання бездротових композиційних
резисторів, провідників і резисторів товстоплівкових мікросхем і
металізації металокерамічних корпусів.
Для виготовлення композиційних резисторів змішують провід-
ний матеріал, органічні та неорганічні в’яжучі, наповнювач і пла-
стифікатор.
При використанні складних гетерогенних* систем одержують ком-
позиційні резистори з опором від часток Ома до декількох тисяч Ом.
Як провідну фазу використовують провідники — порош-
ки срібла, паладію, золота, родію; напівпровідникові матеріали —
діоксид олова, оксид кадмію, карбіди кремнію, вольфраму, силіциди
металів, а також графіт або сажу.
Як о р г а н і ч н і в’яжучі використовують фенольні або ефірні
смоли — епоксидну, гліфтальну, кремнійорганічну. Композиції, що
містять органічні в’яжучі речовини, порівняно легко змінюють свої
властивості під дією вологи та підвищеної температури. Граничні
робочі температури їх не перевищують 150°С.
У металокерамічних і металогюлімерних композиціях, які
містять неорганічні в’яжучі речовини (полімери, порош-
коподібне скло, неорганічні емалі), після спікання при високих
температурах досягається висока вологостійкість і теплостійкість
(робоча температура підвищується до 350°С), але збільшується
нелінійність і власні шуми, знижується верхня границя опору
резисторів. Металокерамічні композиційні матеріали мають низьке
*Гетерогенпа система — це фізико-хімічна система, яка склада-
ється з різних за фізичними властивостями або хімічним складом частіш,
наприклад, вода з парою, що знаходиться над нею (від грец. кеівго^епез —
неоднорідний за складом).
абсолютне значення температурного коефіцієнту опору, який
становить приблизно 24 О'8 °С. Температурний коефіцієнт опору
можна змінювати, якщо змінити склад провідних компонентів і
їхню кількість в об’ємі матеріалу.
Кермет — це композиція у вигляді порошку від світло- до тем-
но-сірого. До складу кермету входять оксид кремнію і порошок хро-
му (замість хрому в композицію можуть входити срібло та паладій
в співвідношеннях 5:4) — 90%. Композиційні матеріали типу керме-
ту отримали назву металоглазурованих. Технологія їх виготовлення
зводиться до подрібнення та змішування порошків металів з оксидом
кремнію за наявності розчинника. Пасту наносять на підкладку,
піддають термообробці при температурі 1100°С і одержують плівки
завтовшки 20...25 мкм. Такі плівки термостійкі, вологостійкі, мають
стабільні характеристики, точність підтримування опору після тер-
моциклів 0,1%, опір від 103 дО ।об Ом.
Як матеріал для виготовлення елементів товстоплівкових схем
використовують провідні та резистивні пасти. Ці матеріали повинні
мати визначену текучість, оскільки за великої текучості пасти
розтікаються і спотворюється рисунок схеми; за малої текучості пас-
та погано протискується крізь трафарет. Під дією механічних наван-
тажень текучість паст збільшується. Після зняття тиснення паста
твердіє, зберігаючи отриману форму. Ця властивість паст нази-
вається тиксотропністю. Внаслідок тиксотропності паста проникає
на підкладку крізь отвір у трафареті тільки при застосуванні вдавлю-
вальних зусиль, а після зняття зусиль не розтікається на підкладці.
Для надання пастам тиксотропних властивостей до їх складу вводять
високомолекулярні сполуки (наприклад, терефталатну кислоту).
Провідні пасти повинні забезпечувати низький питомий
опір плівок та малу активність при контакті з хімічно активними
матеріалами при високій температурі. До складу провідних паст
входять функціональний матеріал (дрібнодисперсні порошки ме-
талів), постійна в’яжуча (скло) і тимчасова зв’язуюча речовина
(суміш декількох органічних речовин).
Електричні властивості провідної пасти визначаються складо-
вими компонентами — порошками металів. Найшпрше застосову-
ються пасти на основі благородних металів — срібла, золота, плати-
ни, паладію та їх сплавів.
Адгезію плівки до підкладки забезпечує постійна в’яжуча
речовина — порошок скла. Призначений для використання в пасті
порошок скла називають фритом. Його одержують швидким охо-
лодженням розплавленого скла у воді або розпилюванням стисну-
тим повітрям з подальшим розмелюванням частинок до розміру
1...3 мкм. Рівномірне розподілення компонентів і потрібна в’язкість
паст залежить від тимчасової в’яжучої речовини — органічних
рідин, для чого використовують рідкі смоли, етилцелюлозу та Ін.
69
Пасти на основі срібла містять вуглекисле срібло А§2СО3 або
оксид срібла А^2О, які при температурі вінце 500°С розкладаються
з виділенням вуглекислого газу та кисню, які вивітрюються, а на
поверхні підкладки залишається чисте срібло. Для поліпшення
зчеплення срібла з керамікою до складу пасти вводять плавень —
частина оксиду вісмуту (Ві2О3), борнокислого свинцю (РЬВ4О4)
або безводної бури (Йа2 В4О7). Як «зв’язку» використовують
розчин каніфолі в скипидарі. Температура впікання пасти — 825°С.
В процесі випалу за температури 200...370°С вигоряють каніфоль і
скипидар, а при температурі приблизно 750°С плавиться плавень,
утворюючи металокераміку з постійним переходом від чистого
срібла до кераміки. Після двох-трьох впікань утворюється плівка
товщиною до 10 мкм.
Плівки, які одержані в результаті впікання провідних паст на
основі срібла, мають добру адгезію до підкладок; низьку вартість;
зазнають міграції частинок срібла на поверхні підкладки, інтен-
сивність якої збільшується з підвищенням вологості та з дією елек-
тричного поля.
Для зниження вартості та зменшення небажаних явищ викори-
стовують пасти на основі срібла та паладію.
Срібно-паладієві пасти використовують для виготовлення
провідних шарів, струмопровідних доріжок і контактних площадок
на керамічних підкладках методом секто граф ії. Температура
впікання — 800°С. Міцність зчеплення покриття з поверхнею ке-
раміки 5-Ю6 Н/м2.
Пасти на основі золота застосовують для виготовлення струмо-
провідних доріжок І провідникових елементів на підкладках з ке-
раміки та кварцового скла. Вміст золота становить 75...85%.
Міцність зчеплення покриття з керамікою становить 10” Н/м2, а зі
склом — 5-Ю6 Н/м2. Плівки, одержані в результаті впікання паст на
основі золота, мають високу стабільність, надійність в експлуатації,
стійкість при підвищених температурах, високу вартість, але в ба-
гатьох випадках є незамінними.
Рез истивні пасти відрізняються від провідних за скла-
дом функціональних матеріалів, для яких використовують ті самі
метали в комбінації з ізоляційними та напівпровідниковими ма-
теріалами. Провідні і тимчасові в’яжучі елементи у них аналогічні.
Резистивні плівки з різноманітним опором можна одержати, якщо
змінювати відсотковий вміст компонентів у пасті.
Пасти на основі срібла з паладієм дозволяють одержувати резис-
тори з високим питомим електричним опором. Більш низьку чутли-
вість до процесу впікання мають пасти на основі діоксиду рутенію.
Резистивні композиції, які не містять дорогих матеріалів, одер-
жують на основі оксиду талію, індію, олова, кадмію і тугоплавких
сполук різних металів (боридів, карбідів та ін.).
Для металізації металокерамічних корпусів найчастіше викори-
стовують м о л і б д е н о - м а р г а н ц е в у пасту, яка має у
своєму складі молібденовий і марганцевий порошок, що замішані
на біндері (зв’язці).
Порошки повинні мати задану дисперсність, яка характери-
зується питомою поверхнею. Залежно від кількісного співвідно-
шення порошків у пасті їх питома поверхня має розміри від 4500 до
5500 для молібдену і від 9000 до 11 000 см2/г для марганцю. Пито-
му поверхню порошків підвищують зменшуванням розміру части-
нок при подрібненні (помелі). Порошки з заданою питомою по-
верхнею одержують при подрібненні первинної сировини на кульо-
вих млинах. При помелі молібдену додають ацетон, а при помелі
марганцю — безводний спирт. Після помелу порошок сушать при
температурі 80°С, оскільки за більш високих температур і потрап-
ляння в порошок вологи марганець спалахує.
Як присадки до металізованих паст додають алюмоксидні по-
рошки 22ХС і стекла, які також подрібнюють у кульових млинах до
одержання розмірів питомої поверхні 9000... 11 000 см2/г. Скляний
порошок додають у пасти для металізації керамічних матеріалів, що
не мають склофази. У молібдено-марганцеві пасти вводять також
домішки, які сприяють зміні деяких властивостей металізації.
Наприклад, гідрид титану (ТіН2) підсилює окиснення молібдену
і така паста менш критична до складу газового середовища при
впалюванні метал ізацій ного шару, а борид молібдену (Мо2Вз)
забезпечує більш високу термомеханічну стійкість пасти.
Склад біндеру 1: колоксилін (нітроклітковина) — 2,5 г; ізоамі-
лацетат — 100 мл.
Колоксилін відноситься до вибухових речовин, тому його
зберігають невеликими партіями (до 300 г) у вологому середовищі
(залитим водою або спиртом) в ебонітовому або скляному посуді.
Скляні притерті пробки використовувати не дозволяється,
оскільки при терті скла об скло може утворитись іскра. При ударі
або терті сухий колоксилін може вибухнути. Сушать колоксилін в
алюмінієвому або емальованому посуді при температурі 70,..80°С з
відкритими дверцями сушильної шафи.
Ізоамілацетат токсичний має різкий запах, несприятливо діє на
органи дихання. Тому всі роботи з біндером виконують у спеціальних
витяжних шафах, робоча поверхня яких футерована* електроізо-
люючим безшовним матеріалом (вініпласт, текстоліт, гетинакс).
Склад біндеру 2: полівенілбутираль 2 мас. ч.; розчинник
70...90 мас. ч.
•футерування (від шм./п«ег — підкладка) — лицювання внутріш-
ніх поверхонь (стін, склепінь) металургійних печей, залізних димових
труб, хімічних апаратів та ін., які виготовлені з вогнетривких, хімічно
стійких та теплоізоляційних матеріалів.
71
Для паст, які попільно сохнуть (час висихання 80...100 с), як
розчинник використовують цпклогексанон; для паст, які помірно
сохнуть (час висихання 20...ЗО с), — ізобутиловий спирт, а на ети-
ловому спирті виготовляють пасти, що сохнуть швидко (час виси-
хання 3..5 с).
Біндер на основі полівінілбутиралю одержують перемішуван-
ням початкових компонентів на валках протягом однієї-двох діб
до одержання прозорого розчину, який має такі переваги: висока
механічна міцність, термостійкість металокерамічних спаїв, мож-
ливість одержування паст з різним часом висихання, вибухобез-
печпість, простота приготування; іюлівінілбутпраль дешевий та
недефі питний.
Для приготування металізованої пасти компоненти (порошки
та біндер) старанно перемішують у кульовому млині протягом
декількох годин і проціджують крізь сито. Готову насту зберігають
у скляних банках з пробками, що щільно закриваються, при цьому
на етикетках вказують склад пасти та дату її виготовлення.
Металізовані насти мають обмежений термін зберігання,
оскільки швидко загусають та розшаровуються, тому в процесі ро-
боти їх постійно перемішують і періодично контролюють в’язкість.
Незалежно від складу паст попадання в них води небажано,
оскільки при цьому виникає згортання (коагуляція*) пасти.
Пасти наносять на кераміку пензликом, пульверизацією, кон-
тактним перенесенням, занурюванням, шовкографієто, запресуван-
ням або напилюванням.
При впіканні паст виникають складні процеси зпікання ме-
талізаційного шару та утворення його міцного зв’язку з керамікою
внаслідок хімічної взаємодії компонентів металізації і кераміки, а
також у результаті міграції скла в металізований шар. Густина
молібдену у металізованих шарах після термообробки становить
лише 50...60% глютини конструкційного молібдену.
3.9.3. Контактоли
Для одержання електричних контактів у радіоелектроніці вико-
ристовують струмопровідні пасти, клеї, емалі, що об’єднуються
загальною назвою — контактоли. Це композиції на основі епоксид-
них і кремнійорганічних смол з додаванням порошків металів з
високою теплопровідністю. Адгезивні властивості таких компо-
зицій визначаються в’яжучою основою (смолою), а провідність
♦Укрупнення частинок у дисперсних системах, що призводить до
випадіння з колоїдного розчину пластівчастого осаду або згущення (від
латин, соа&иіаіїо — згортання, згущення).
72
досягається використанням наповнювачів (дрібнозернистих по-
рошків металів). Швидкість полімеризації контактолей залежить
від складу і кількості розчинника. Приготовлена суміш зберігається
при температурі нижче нуля в парах розчинника. Контактоли
мають такі властивості: високу міцність та еластичність; добрі
антикорозійні властивості; низьку густину; питомий електричний
опір в 5... 100 разів вище, ніж у м'яких припоїв (питомий електрич-
ний опір р знаходиться в межах 1-10‘2...6-10“4 Ом-см).
Залежно від типу металевого наповнювача виділяють контактоли,
які містять срібло, нікель, паладій, золото, посріблений нікель та ін.
С р і б л о в м і щ у ю ч і контактоли — пасти мають такі власти-
вості: високий питомий електричний опір (р = 1...6 мкОм), високу
стабільність властивостей при кліматичних і механічних впливах,
виражену адгезію до різних матеріалів (границя міцності при зсуві
РзСув = 2,5-10б Н/м2).
Струмопровідні клеї на основі срібла: К-8, К-12, К-13, К-17, К-21
і К-22 використовуться, головним чином, для склеювання повер-
хонь срібла, міді, скла, кераміки та ін. Кожний клей, відповідно до
його властивостей, має свою область використання. Так, наприклад,
струмопровідннй клей К-12 має високу провідність, а також високу
міцність склеювання. Його застосовують для монтажу елементів
радіоелектронної апаратури, таких, як ниткові резистори, фоторе-
зисторп та ін.
Струмопровідннй клей К-17 крім високої провідності має
підвищений термін придатності, підвищену термостійкість і вико-
ристовується у виробництві керамічних конденсаторів, для монта-
жу інтегральних мікросхем у корпус та ін.
Струмопровідннй клей К-3 — пастоподібна рідина
сталевого кольору, яка має такі властивості: питомий електричний
опір р = 0,05 Ом-см; життєздатність 24 год; витримує п’ять термо-
циклів при зміні температури від —60 до +120°С; адгезія до
алюмінію, ковару, нікелю та золота; рЗСуВ“ 2-Ю6 Н/м2.
До складу клею входять: лак (100 мас. ч.), порошок срібла
(200 мас. ч.). Його використовують для кріплення кристалів циф-
ро-знаковпх індикаторів до підкладок і основ корпусів із забезпе-
ченням електричного контакту.
Струмопровідннй к л е й АС-40В — пастоподібна рідина
сталевого кольору, яка має такі властивості: питомий електричний
опір р = 0,01 Ом-см; життєздатність 24 год: витримує десять термо-
циклів при зміні температури від —60 до +450°С.
До складу клею входять: клей АС-40 (100 мас. ч.), гліциділовий
ефір (10... 15 мас. ч.), толуол (20 мас. ч.), порошок срібла (200 мас. ч.).
Його використовують для кріплення кристалів цифро-зяако-
вих індикаторів до основ корпусів із забезпеченням електричного
контакту.
73
С т р у м о п р о в і д н и й клей ЕВТ — пастоподібна однорідна
маса сірого кольору, яка має такі властивості: питомий електричний
опір р = 0,005 Ом-см; життєздатність у відкритому об’ємі не більше
12 год; діапазон робочих температур від -60 до +200°С; може вит-
римувати температуру до 400°С протягом 15 хв; час затвердіння
при температурі 250°С дорівнює 3 год; границя міцності при зсуві
для алюмінію рзсув = 4-Ю6 Н/м2, для міді р = 4-Ю6 Н/м2, для ніке-
лю р = 4,5-Ю6 Н/м2; міцність склеювання позолочених поверхонь
3-106 Н/м2.
Клей використовують замість паяння під час складальних опе-
рацій у виробництві напівпровідникових приладів і мікросхем.
Н І к е л ь в м і щ у ю ч і контактоли мають такі властивості:
нижчий питомий опір, ніж у срібло вміщуючих клейких компо-
зиціях; добру адгезію до різних матеріалів (границя міцності при
зсуві р == 2-Ю6 Н/м2); низьку життєздатність; високу стабільність
властивостей при кліматичних і механічних впливах.
С тру мо про в і д ний к л ей К Н -1 — рідка однорідна ма-
са чорного кольору, яка має такі властивості: питомий електричний
опір р = 0,01 Ом-см; життєздатність ЗО хв; діапазон робочих темпе-
ратур від —60 до +120°С; витримує три термоцикли при зміні тем-
ператури від —60 до + 120°С; границя міцності на зсув для алюмі-
нію, нікелю, золота, ковару рзсув = 2-Ю6 Н/м2.
Клей використовують для кріплення напівпровідникових кри-
сталів до діелектричної підкладки із струмопровідними доріжками
із забезпеченням електричного контакту.
Струмопровідні клеї на основі нікелю, як і срібловмісні, викори-
стовуються відповідно до своїх властивостей. Так, струмопровідний
клей К-3 має тривалий термін придатності, високу електро-
провідність, що прирівнює його до срібловмісних клеїв. Він вико-
ристовується при монтажі елементів у гібридних мікросхемах, ви-
готовленні електродів до керамічних конденсаторів, при з’єднанні
кварцових елементів у п’єзодатчиках.
П а л а д І й в м І щ у ю ч і контактоли — пасти, які мають висо-
кий питомий електричний опір р = 10...20 мкОм-м; високу стабіль-
ність контактних з’єднань; добру адгезію до всіх матеріалів і деяких
напівпровідникових матеріалів- (рзсув = 4...10 Н/м2).
Клеї на основі паладію КП-Ї, КП.-2 і КП-3 поступаються
срібновмісним клеям за провідністю, але порівняно з ними мають
переваги — забезпечують стабільність опору електричного контак-
ту з багатьма матеріалами.
Контактоли наносять за допомогою дозаторів (шприців). Це
дозволяє дозувати кількість клейкої суміші, що має важливе зна-
чення для забезпечення високої якості контактного з’єднання.
74
3.10. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ РУХОМИХ КОНТАКТІВ
Контакти електричні для комутаційних апаратів є струмопровід-
ними деталями і призначені для замикання, розмикання і перемикан-
ня електричних кіл в апаратах керування приймачами і розподілення
електричної енергії та захисту електричних кіл від перенавантаження.
За умовами експлуатації вони можуть безперервно з різною частотою
спрацьовування переходити із одного положення в інше, а також три-
валий час знаходитись як у замкнутому, так і в розімкнутому поло-
женні. Всі контактні матеріали в процесі роботи піддаються спрацю-
ванню. Розрізняють механічне, хімічне та електричне спрацювання.
Механічне спрацювання пов’язане із стертям і деформуванням
металів контактних поверхонь внаслідок застосування певної сили
при ударі контактів і подальшого контактного натискування. Воно
залежить від властивостей та конструкції контактного пристрою.
Хімічне спрацювання (корозія) зумовлене хімічною взаємодією
контактних матеріалів з навколишнім середовищем, тобто з появою
на їх поверхні оксидних, сульфідних, карбонатних та інших плівок з
поганою електропровідністю. Всі металеві вироби в процесі експлуа-
тації зазнають впливу корозії, але корозія контактних матеріалів про-
тікає значно активніше внаслідок розігрівання контактів до високої
температури. Для підвищення стійкості проти корозії в контактному
пристрої створюється вакуум або середовище інертного газу, а кон-
тактні поверхні вкриваються більш стійкими проти корозії металами.
Електричне спрацювання (електрична ерозія або обгоряння)
спостерігається тільки в розривних та частково ковзких контактах.
Це пов’язано з полярністю контактів і проявляється у випаровуванні
та перенесенні часток контактного матеріалу через дію електричної
дуги у випадках розриву контакту. В результаті на одній контактній
поверхні утворюються нарости, а на іншій — заглиблення (кратери).
Піл час перенесення металу з аноду на катод між ними можуть
виникнути голки, які перешкоджають розмиканню контакту і по-
рушують його роботу. За відносно великих густин струму може
виникнути зварювання контактних поверхонь. Особливо гостро
ерозія проявляється в колах постійного струму.
До контактних матеріалів ставляться такі вимоги:
високі значення температури плавлення і випаровування;
висока електропровідність, теплопровідність і теплоємність;
висока механічна .міцність, головним чином, на стирання і удар-
ну в’язкість, висока твердість;
висока корозійна стійкість;
висока опірність зварюванню окремих компонентів матеріалів.
Найвідповідальніші контакти, що використовуються в електро-
техніці, — це контакти для періодичного замикання та розмикання
електричних кіл (ковзні та розмикаючі).
75
3.10.1. Матеріали для ковзних контактів
Ковзні контакти забезпечують перехід електричного струму від
нерухомої частині пристрою до рухомої. Під час роботи поверхні
ковзних контактів зазнають механічного впливу та корозії.
До ковзних контактів відносять пружинні металеві та електро-
технічні вугільні.
Матеріали для пружинних ковзних контактів повинні
люти такі властивості; високу міцність і твердість, високу пруж-
ність, низький питомий електричний опір, високу стійкість проти
стирання, великих швидкостей та проти окиснення.
Для пружинних металевих контактних матеріалів використовують
твердотягнуту електролітичну мідь, спеціальні сорти бронз (кадмієві,
кадмієво-оловянисті, берилієві), а також матеріали сполук срібло—
оксид кадмію. Пружинні контактні матеріали використовують для
виготовлення дротяних потенціометрів, реостатів, перемикачів.
Електротехнічні вугільні матеріали застосовують
для виготовлення щіток електричних машин, вугільних електродів
для дугових печей, гальванічних елементів та ін. Матеріали для
електротехнічних щіток вибирають залежно від конструкції маши-
ни та режиму її роботи. Промисловість випускає щітки різних ма-
рок: графітні; вугільно-графітні; металограф і тн і (містять металевий
порошок); електрографітовані. Для цього використовують пресо-
вані композиції з вугілля, графіту, бронз і деяких матеріалів, після
спеціальної термічної обробки.
3.10.2. Матеріали для розмикаючих контактів
Матеріали для розмикаючих контактів працюють у складних
умовах, оскільки в процесі роботи між їхніми контактними поверх-
нями можуть виникнути електричні розряди у вигляді іскри або
дуги. Цей процес супроводжується електричною ерозією*, яка є
причиною порушення нормальної роботи відповідного приладу. На
поверхнях розмикаючих контактів утворюються оксидні плівки,
тому вони зазнають також корозії або хімічного спрацювання.
Матеріали для розмикаючих контактів повинні мати такі вла-
стивості:
низьке значення питомого електричного опору;
невелике падіння напруги на контактах;
стійкість проти механічного електричного спрацювання;
не допускати ерозії (обгоряння) поверхонь, що контактують;
* Поступове руйнування поверхні металевих виробів у потоці газу або
рідини, а також під впливом механічних дій, електричних розрядів та ін.
(від латин, егояо — роз’єднання).
76
не допускати приварювання контактних поверхонь одна до
одної під дією електричної дуги в момент розмикання контактів;
сталість контактного електричного опору;
легка оброблюваність;
низька вартість.
Матеріали для розмикаючих контактів вибирають за значенням ко-
мутаційного струму або за потужністю розмикання електричних кіл.
За значенням комутаційного струму розривні контакти поділя-
ють на слабкострумові (працюють при струмах до одиниць ампер) і
сильнострумові (працюють при струмах, більших одиниць ампер).
За значенням потужності контакти цього типу поділяють на
малопотужні та потужні.
Слабкострумові (малопотужні) розмикаючі кон-
такти виготовляють з благородних і тугоплавких металів і сплавів
на їх основі типу твердих розчинів.
У широкій номенклатурі контактів використовується чисте сріб-
ло, яке забезпечує високу електропровідність і низький перехідний
опір, але має недостатню стійкість проти ерозії. Крім того, срібні
контактні поверхні легко зварюються між собою. Чисте срібло не
використовують також для особливо точних розмикаючих контактів
з малою силою контактного натискування (малонавантажених) і в
поєднанні з матеріалами, що містять сірку (наприклад, гума, ебоніт).
Значну стійкість проти ерозії порівняно з чистим сріблом мають
сплави срібла з міддю, проте в малонавантажених контактах вони
кородують.
Сплави срібло—кадмій відрізняються високою ерозійною
стійкістю внаслідок високої швидкості гасіння дуги між контакта-
ми за рахунок парів кадмію та кисню, проте контакти з цих сплавів
вимагають більших контактних натискувань. Такий матеріал, що
містить 2... 12% маси оксиду кадмію, отримують при нагріванні
бінарного сплав}’' срібло—кадмій в окиснювальпому середовищі.
Сплави срібло—магній—нікель з добавками золота і цирконію
вдало поєднують у собі властивості пружного та контактного ма-
теріалу. Це дозволяє з успіхом використовувати їх як єдині деталі
«контакт-пружина», що дуже цінно в малогабаритних і мініатюр-
них пристроях. Ці сплави мають перехідний електричний опір та-
кий самий, як у срібла.
Слабкострумові розмикаючі контакти з срібла і його сплавів ви-
користовують у пристроях електронної техніки, які працюють у
бездуговому режимі, в приладах автоматики, в апаратурі авіаційно-
го і морського устаткування.
Золото має корозійну стійкість проти утворення сірчаних плівок
при кімнатній температурі і нагріванні, проте воно схильне до дуго-
утворення, і навіть при малих струмах на золотих контактах в резуль-
таті ерозії утворюються голки та нарости. Тому золото у чистому
77
&
вигляді використовують для виготовлення прецизійних контактів, які
працюють при малих напругах і малому контактному натискуванні.
Як контактний матеріал золото використовують, головним чином,
у вигляді сплавів з платиною, сріблом, нікелем, цирконієм, які мають;
підвищену твердість, виражену корозійну та ерозійну стійкість.
Платина у чистому вигляді рідко використовується для виго-
товлення контактів. Вона слугує доброю основою для низки кон-
тактних сплавів, оскільки не окпснюється на повітрі та не утворює
сірчаних плівок, а також забезпечує платиновим контактам стабіль-
ний перехідний опір.
Найбільше поширення набули сплави платини з нікелем, сріб-
лом. іридієм. Завдяки підвищеній твердості і питомому електрич-
ному опору, їх використовують в прецизійних реле, що працюють
без дугових розрядів, контрольних реле авіаційного устаткування, в
малогабаритних і мініатюрних реле радіоелектронної апаратури.
а
1
ОС;
малогаоаритних і мініатюрних реле радіоелектронної апаратури.
Паладій, як контактний матеріал, використовується у сплавах зі
сріблом, іридієм, міддю. Сплави паладію з сріблом при вмісті вище
50% паладію не утворюють сірчаних плівок.
Сплав паладію з іридієм підвищує твердість, механічну міцність
і корозійну стійкість паладію. Ці сплави мають практично таку твер-
дість, як сплав платини з іридієм, але меншу тугоплавкість.
Сплав паладію з міддю відрізняється малою містковою ерозією
і підвищеним опором до зварювання.
Вольфрам най ширше застосовується як контактний матеріал
завдяки ряду властивостей, що задовольняють сукупність найбільш
потрібних характеристик контактних матеріалів:
вольфрамові контакти не зварюються під час роботи, оскільки
температура плавлення вольфраму становить 3380°С;
у декілька разів більш стійкіші проти ерозії, ніж платина;
не піддаються помітному механічному спрацюванню завдяки
високій твердості.
Най кращі властивості мають контакти з вольфрамового дроту з
поздовжньо-волокнистою будовою. Стійкість проти спрацювання
контактів значно підвищується, якщо зерна у нарізаних з дроту
контактів витягнуті вздовж осі контакту.
Легування вольфраму молібденом підвищує його твердість, пи-
томий електричний опір і знижує тугоплавкість. Проте молібден вво-
дять у сплав вольфраму в обмежених кількостях, оскільки він коро-
дує при кімнатній температурі з утворенням рихлих окисних плівок.
Вольфрамові контакти використовують у контрольних реле
авіаційного устаткування, в телеграфних, сигнальних реле, в пере-
бивачах і перетворювачах струму, у вакуумних або газонаповнених
вимикачах.
З метою економії дорогоцінних металів контакти деяких марок
випускаються біметалевими, в яких неробоча частина виконана із
я»
ж
ж
% &
'г Я>
б.
неблагородних металів або сплавів: міді, латуні, бронз різних. Най-
поширенішими є біметалеві контакти із срібла і його сплавів з
мідною неробочою частиною.
Біметали використовуються для контактів реле, радіотелевізій-
ної апаратури, автомобільного електрообладнання тощо.
С ильностру мові (потужні) розмикаючі контакти ви-
готовляються із металокерамічних матеріалів, отриманих методами
порошкової металургії (основні властивості металокерамічних ма-
теріалів розглядаються в 3.10). Металокерамічні контакти мають
ряд переваг порівняно із звичайними металевими:
більш стійкі проти оплавлення, приварювання та спрацювання;
незамінні при високих струмовпх і механічних навантаженнях;
значно збільшують термін придатності контактів за помірних
навантажень;
підвищують надійність і довговічність апаратів при значній еко-
номії срібла (від 10 до 70%).
Металокерамічні матеріали для сильнострумових контактів
повинні складатися з не взаємодіючих один з одним компонентів,
один з яких має значно більшу тугоплавкість, а інший забезпечує
виражену провідність матеріалу. Менш тугоплавкий компонент
утримується в порах більш тугоплавкого силами поверхневого
натягу.
Найчастіше використовують такі електроконтактні композиції:
срібло з нікелем, срібло з оксидом кадмію, срібло з оксидом міді,
срібло з графітом, срібло з нікелем і графітом, срібло з вольфрамом,
мідь з вольфрамом, мідь з графітом та ін.
Композиції, що містять срібло та мідь, забезпечують контактам
високу електро- та теплопровідність.
Композиції, що містять тугоплавкі фази у вигляді рівномірно
введених оксидів кадмію, міді, нікелю, вольфраму, графіту, за-
побігають зварюванню контактів, підвищують їх стійкість проти
спрацювання та термостійкість. При цьому оксид кадмію при темпе-
ратурі приблизно 900°С, а оксид міді при більш високих температу-
рах, розкладаючись на кадмій і кисень та мідь і кисень, збільшують
швидкість гасіння дуги.
Композиція срібла з нікелем добре піддається механічній об-
робці та має високу корозійну стійкість. Її використовують у низь-
ковольтному апаратобудуванні.
Композиція срібла з оксидом кадмію не утворює непровідних
оксидів і тому не вимагає високих контактних натискувань. Її вико-
ристовують для виготовлення контактів, які працюють у колах
постійного струму (300 А, 500 А). В процесі експлуатації контакти
на основі цієї композиції не можна зачищати наждачним папером.
Композиція срібла з графітом має високу лугостійкість, стій-
кість проти механічного стирання, опірність до зварювання.
79
Дрібнодисперсні контактні матеріали підвищують термін
придатності розмикаючих контактів у 1,5...З рази, якщо початкові
компоненти матеріалів подрібнені до розмірів 0,5...2 мкм замість
звичайних розмірів 50... 150 мкм.
За стійкістю проти зварювання (в порядку зменшення) контакт-
ні матеріали розміщуються таким чином: графіт (С), вольфрам (\¥),
вольфрам—молібден (XV—Мо), металокераміка вольфрам—мідь
(срібло) [XV—Си(Ай)], карбід вольфраму— срібло (\¥С—А§), спла-
ви срібло—кадмій (Ад—Ссі), металокераміка срібло—оксид кадмію
(оксид міді) [А§—СсіО(СиО)], срібло (мідь)—графіт [Л£(Си)—С].
Сильнострумові металокерамічні розмикаючі контакти викори-
стовують для загальнопромислових цілей, зокрема в авіаційних
реле і вимикачах середнього і важкого режимів, в автоматичних
запобіжниках, контакторах, пускачах, реле сигналізації.
Не існує контактних матеріалів, які відповідали б усім необхід-
ним вимогам. Вдається тільки наблизитись до створення матеріалів
з сукупністю найбільш потрібних характеристик. Тому пристрої з
размикаючимп і ковзними контактами прагнуть по можливості
замінити відповідними схемотехнічними рішеннями. Це дозволяє
експлуатувати прилади в більш жорстких умовах, знижує кількість
відмов і підвищує термін придатності приладів.
ЗЛІ. ПРИПОЇ
Для одержання постійного електричного контакту з малим пе-
рехідним опором і достатнього механічною міцністю, а також для
отримання вакуумщільних швів у радіоелектронній апаратурі ши-
роко застосовують паяння.
Паянням називають процес одержання нерознімних з’єднань за
допомогою спеціальних сплавів або металів, температура плавлення
яких нижча температур плавлення з’єднувальних деталей.
Спеціальні сплави, що використовуються при паянні, називають
припоями. Процес паяння супроводжується нагріванням. У результаті
припій плавиться, розтікаючись по поверхні з’єднувальних деталей,
заповнюючи зазор між ними. Па межі стикання розплавленого при-
пою і поверхонь з’єднувальних деталей виникають складні фізико-
хімічні процеси.'Припій дифундує в основний метал, а поверхневий
шар основного металу розчиняється в припої, утворюючи проміж-
ний прошарок. Після застигання утворюється нерознімне з’єднання.
Наявність оксидних плівок, механічних і органічних забруднень
на поверхнях з'єднувальних деталей утруднюють процес паяння.
Тому перед паянням з’єднувальні поверхні старанно очищають, а в
процесі паяння захищають від окиснення допоміжними сумішами,
що називаються флюсами.
Припої повинні мдти такі властивості: виражену рідку текучість,
гобто здатність легко розтікатися в розплавленому стані і заповню-
вати вузькі зазори і ирлліш; малий інтервал температур кристалі-
зації; високу механічну міцність; корозійну стійкість; високу елек-
тропровід ність.
Припої поділяються па м’які з температурою плавлення ТПл до
400°С і тверді з температурою плавлення Тпл понад 400°С.'")
Основні властпвостї: області використання м’яких припоїв на-
ведені в табл. 3.8,
Таблиця 3.8
Склад, основні властивості і область використання м’яких припоїв
Маска помпою ’ Хімічний склад Температура і плавлення Тпл, °С Область застосування
НОС-ЗО і Зп-ЗО; РЬ-68; ЗЬ-2 256 Паяння міді, латупеп, оцинко- ваного заліза
ПОС-61 Зп-61; РЬ-38,1 5Ь-0,8: Ні-0.1 183 Паяння гібридно-плівкових мікросхем, напівпровіднико- вих мікросхем, печатних плат, п ровод і в радіодеталей
ПОС-61+3% Ар; ; Зп-61; РЬ-35,9; ЗЬ-0,1; А^-3 190 Те ж
ІЮС-90 Зп-90; РЬ-9,7; ЗЬ-0,3 222 Пайка деталей з гальванічним покриттям
ІІОСК-47 Зп-47; РЬ-36; ЗЬ-5,5;СдІ-ІІ,5; 142 Утворення контактів з посріб- леною та обмідненою керамі- кою
Сплав Вуда Зп-12,5; РЬ-25; В і-50; 01-12,5; 65 Заливання деталей і паяння контактів, яким необхідна знижена температура
АВІА-1 5в-55; СА-20; 2п-25 200 Пайка алюмінію та його сплавів
ГІОСМ -0,5 Зп-59,..61,0; Си-0.5...0,7; І ЗЬ-до 0.3 і РЬ-пешта 184 Для лудження пасивної части- ни мікросхем 3 тонким мідним покриттям
ПСр-2,5 РЬ-92,7;А§-2,5 300 Пайка проводів радіодеталей, що працюють при підвищених температурах; пайка елементів мікроелектропіки
81
Крім температури плавлення припої суттєво розрізняються за
механічними властивостями. М’які припої мають границю міцності
при розтягуванні оР не вище 50...70 МПа, а тверді — до 500 МПа.
Відмінність між паянням м’якими та твердими припоями полягає в
тому, що при паянні м’якими припоями переважає адгезія (поверх-
неве зчеплення), яка сприяє змочуванню, а при паянні твердими
припоями поряд з адгезією — сплавлення та дифузія. З підвищенням
температури швидкість взаємної дифузії та змочування зростають.
Назва марок припоїв визначається металами, що входять до їх
складу у найбільшії! кількості (олово — О, свинець — С, алюміній — А,
срібло — Ср, сурма — Су. мідь — М, цинк — Ц, вісмут — Ві, кадмій — К,
нікель — Н, паладій — Пд, індій — Ін, кремний — Кр, золото — Зл,
титан — Т). Позначення дорогого або рідкісного металу, що входить
до складу припою, присутня в назві марки навіть при його малій
кількості. Марка припою вибирається залежно від роду з’єднуваль-
них металів і сплавів, необхідної механічної міцності, корозійної
стійкості і питомої електричної провідності припою (при паянні
струмопровідних частин).
. М’які припої. М’які припої мають порівняно невисоку темпера-
туру плавлення і в багатьох випадках не забезпечують контакту
необхідну механічну міцність.
М’якими, в основному, є олов’яно-свинцеві припої (ПОС) з
вмістом олова від 18% (ПОС-18) до 90% (ПОС-90). Питома
провідність цих припоїв становить 9... 13% від питомої провідності
міді, а температурний коефіцієнт лінійного розширення ТК/
більше, ніж у міді на 60.,.70%. Вони містять 8п-РЬ з температурою
плавлення Тил 183°С.,
Введення сурми підвищує міцність припою марки ПОС і покра-
щує його «повзучість» під навантаженням. За вмістом сурми припої
марки ПОС поділяються на безсурм’янисті, малосурм’янисті
(0,2...0,5% сурми, наприклад ПОССу—30-0,5) і сурм’янисті (1..5%
сурми, наприклад ПОССу-40-2).
М’які припої поділяються також на низькотемпературні з тем-
пературою плавлення Тил до 400°С і легкоплавкі з температурою
плавлення Тил до 145°С. Механічна міцність цих припоїв незначна,
але вони застосовуються при паянні деталей, які чутливі до нагрі-
вання (напівпровідникові прилади, тонкоплівкові виводи гібридно-
плівкових і монокристалічних великих інтегральних мікросхем).
Для надання припоям таких властивостей до її складу вводять
індій, вісмут, кадмій. Наприклад, сплав Вуда (50% Ві, 25% РЬ, 12,5%
5п, 12,5% Сб ) має температуру плавлення всього 60,5°С. Сплав
Розе (25% РЬ, 25% 8т, решта Ві) має температуру плавлення 94°С.
Розроблені для паяння алюмінію і його сплавів припої, які
містять цинк, кадмій і алюміній, не знайшли широкого застосуван-
ня в мікроелектропіці.
82
М’які припої використовують для паяння внутрішніх виводів
корпусів мікросхем, дротяних виводів навісних компонентів герме-
тизації корпусів, лудіння зовнішніх виводів корпусів мікросхем,
комутаційних шарів печатних плат, місць монтажу без корпусних
інтегральних мікросхем.
Тверді припої. Тверді припої відрізняються тугоплавкістю
(температура плавлення 500...900°С) і високою механічною міц-
ністю, але технологія паяння значно складніша і процес ведеться в
спеціальних електричних печах.
Тверді припої на основі срібла (ПСр) використовують при па-
янні особливо відповідальних виробів електронної техніки. В елект-
ровакуумній промисловості твердими припоями паяють вузли
електронних ламп, електровакуумних пристроїв, а також герметич-
них корпусів. Такі припої називаються електровакуумними. Вони
повинні мати такі властивості:
забезпечувати високу механічну міцність паяного з’єднання в
інертному середовищі або вакуумі без використання флюсу,
оскільки залишки флюсу і оксиди, що утворилися, можуть забруд-
нювати внутрішню поверхню електровакуумного пристрою;
не випаровуватися при нагріванні і не забруднювати внутрішні
деталі пристрою:
температура плавлення припою повніша бути приблизно на
100°С вище температури нагрівання приладу 7н при вакуумному
відкачуванні;
мати достатньо велику електро- і теплопровідність.)
Припій з паладієм застосовують для паяння сплавів нікелю,
золота, молібдену, цирконію, титану, вольфраму, жаростійких ста-
лей. Добавки паладію в припої знижують їх здатність проникати в
паяний метал і роз’їдати його, що дозволяє паяти товстостінні
вироби.
Припої із золотом мають виражену пластичність, корозійну
стійкість, теплопровідність та інші позитивні якості. Але через
їх високу вартість використовуються тільки там, де це оправдано
(електроконтакти, паяння вакуумних приладів тощо ).
Припої з міддю використовуються для паяння міді та її сплавів,
нікелю, вуглецевої та легованої сталі та ін. Основою мідних припоїв
є системи: мідь-цпнк, мідь-нікель, мідь-фосфор, мідь-марганець-
нікель.
Припої з титаном (понад 10%) мають підвищену активність і
здатність змочувати окиснені поверхні металів, мінералокераміку,
графіт та інші матеріали. Високотемпературні титанові припої ви-
користовують для паяння тугоплавких металів: титану, вольфраму,
молібдену, ніобію у вакуумі і газових середовищах.
Склад, основні властивості і область застосування твердих при-
поїв наведені в табл. 3.9.
83
Таблиця 3.9
Склад, основні властивості і область застосування твердих припоїв
Марка припою Хімічний склад, % Температура плавлення Тіл, °С Область застосування
ПСр-25 А§ — 25; Си — 40; 7п — 35 765 Паяння сталевих і мідних деталей
ПСр-70 А§ — 70; Си — 20; Хп- 10 730 Паяння срібла та платини
ПСр-36 Си — 36; — 64 800 Паяння латуні і бронз
ПМЦ-62 Си - 62; - 38 920 Паяння міді і сталі
ППдН 60-40 Реї - 40; N1 - 60; 1237 Для паяння нікелю, мо- лібдену, вольфраму, низь- ковуглецевої сталі
ПМГ-9 Се - 8.7; N1 - 0,5 В — 0,2; решта —• Си 950... 1005 Для паяння електротех- нічної сталі, нержавіючої сталі, нікелю
ПМТ-45 Си - (49,0...52,0) Ге - (1.0...3.0) Зі - (0,7...1,0) Ті — (45,0...49,3) 955 Для паяння титану та йо- го сплавів
3,12, МЕТАЛОКЕРАМІКА
Металокерамічні, або порошкові сплави одержують з металевих
порошків методом їх пресування і подальшого спікання за темпера-
тури нижче температури плавлення початкових матеріалів або з
частковим розплавленням найбільш тугоплавкої складової суміші.
Основною сировиною для одержання металокерамічних виробів
є порошки вольфраму, титану, кобальту, марганцю, хрому, заліза,
міді, олова, алюмінію, феросплавів та інших металів і сплавів.
Способом порошкової металургії одержують металокерамічні
деталі, тверді сплави, фрикційні* та антифрикційні** матеріали, а
також напівпровідникові матеріали.
* Діючий під впливом тертя, то відноситься до тертя (від. латин, /гісііо —
тертя).
**Матеріали, які мають низький коефіцієнт тертя: призначені для
виготовлення деталей, які працюють в умовах тертя (ковзання) (анти +
латин, /гісйо — тертя).
84
Матеріали і вироби, що одержані методами порошкової мета-
лургії, мають жароміцність, стійкість проти спрацювання, стабільні
магнітні властивості, механічні властивості, які незначно поступа-
ються механічним властивостям литих і кованих заготовок.
Методами порошкової металургії можуть бути виготовлені
деталі, які звичайно одержують литтям. Але втрати при виготовленні
деталей методом порошкової металургії становлять 3...7%, а відходи
матеріалу при литті інколи досягають 80%. Методи порошкової
металургії найбільш ефективні в умовах серійного та масового
виробництва.
Технологічний процес виготовлення металокерамічних виробів
складається з таких операцій: приготування порошків, приготуван-
ня суміші (шихти*) порошків заданого складу, дозування шихти,
формування деталей, спікання, калібрування або чеканка, опоряд-
жувальні операції (термічна обробка, механічна обробка, гальвано-
покриття).
Для одержання порошків початкові матеріали подрібнюють і роз-
мелюють у кульових (чорні і кольорові метали) або вихрових млинах
(мідь, залізо, алюміній, срібло, губчастий титан та їхні сплави).
Подрібнений матеріал очищають від домішок і просіюють крізь
сито. Частинки, що не пройшли крізь сито, повертаються для по-
вторного подрібнення. Одержані таким способом порошки змішу-
ють у вібраційних або барабанних змішувачах. Отриману шихту
дозують за масою або об’ємним способом. Для формування виробів
використовують прес-форми, які виготовляють з міцних легованих
сталей з високою чистотою робочих поверхонь.
Форми розміщують у гідравлічні або кривошипні преси І прово-
дять операцію пресування. Залежно від розмірів деталі використо-
вують одно- або двостороннє пресування.
Спікання виконують в електричних або вакуумних печах у від-
иовлговальному або захисному середовищі для запобігання металів
від окиснепня. В результаті спікання зчеплення частин порошку
виникає внаслідок взаємної дифузії** атомів настільки щільно,
що окремі частини порошку перестають існувати самостійно.
Тривалість процесу спікання може становити від декількох хви-
лин до декількох годин, що залежить від конфігурації та розмірів
виробу.
При гарячому пресуванні процеси пресування і спікання про-
водять одночасно, що скорочує час спікання у 20...30 разів. Після
спікання заготовки калібрують або чеканять, тобто знімають під
*Суміш матеріалів, що підлягають переробці в металургійних агрега-
тах (від нім. зскіскі — суміш).
**Проникнення атомів однієї речовини в іншу при безпосередньому
стиканні (від латин. сІі//изіо ~ розповсюдження, розтікання).
85
великим тиском за допомогою прес-форми, виготовленої точно за
розміром готового виробу, дефектний поверхневий шар заготовки.
Значне поширення набули металокерамічні тверді сплави, які
мають високу твердість і стійкість проти спрацювання через на-
явність у їх складі карбіду вольфраму, молібдену, хрому і титану.
Металокерамічні тверді сплави використовують для різального і
штампувального інструмента, наплавлення на деталі, які швидко
спрацьовуються.
Для виготовлення металокерамічних твердих сплавів використо-
вують дрібні порошки карбіду вольфраму або карбіду титану, що ма-
ють високу твердість. Як в’язкий в’яжучий матеріал у суміш вводять
кобальт або нікель. В електродах, які використовують для гермети-
зації корпусів мікросхем ударним конденсаторним зварюванням,
застосовують твердий сплав ельконайт, який одержують методом
порошкової металургії, просочуючи вольфрамові заготовки розплав^
леною міддю, і випускають у вигляді зливків циліндричної форми.
3.13. МЕТАЛЕВІ ПОКРИТТЯ
Під дією вологи або технологічних факторів вироби з металів
або сплавів змінюють колір, зовнішній вигляд, механічні та елект-
ричні властивості та можуть переходити в непридатність часткову
або повну. Це є результатом дії корозії, яка руйнує метал або сплав
внаслідок хімічного або електрохімічного впливу навколишнього
середовища.
При рівномірній корозії руйнування виникає з однаковою си-
лою по всій поверхні. Рівномірної корозії зазнають чисті метали та
однофазні сплави в агресивних середовищах.
Місцева корозія — це руйнування поверхні на деяких ділянках.
Вона спостерігається при порушенні шару покриття.
Інтеркристалітна (міжкристалітпа ) корозія — це руйнування
матеріалу по зернах. Розрізняють хімічну та електрохімічну ко-
розію.
Хімічна корозія виникає при дії на метал при високій темпера-
турі газів і парів, що знаходяться в атмосфері, а також рідких
неелектролітів (мінеральне масло, гас та ін.).
Електрохімічна корозія виникає в результаті впливу на метал
електролітів — розчинів солей, кислот, лугів, дощової, річкової та
морської води.
Для захисту від корозії, забезпечення якості, надійної роботи і
надання естетичного зовнішнього вигляду на деталі радіоелектрон-
ної апаратури наносять захисні та декоративні покриття.
Металеві, хімічні та лакофарбні покриття набули значного
поширення.
Металеве покриття — це тонкий шар металу, нанесений на по-
верхню. Металеві покриття виконують для захисту від корозії, для
одержання високої чистоти поверхні, утворення крихкої плівки на
зварювальних поверхнях і поліпшення зовнішнього вигляду.
До металевих покрить висувають такі основні вимоги: міцне
зчеплення з основним металом; дрібнокристалічна структура, що
забезпечує найкращі механічні властивості; рівномірна товщина.
Технологічний процес нанесення металевих покрить складається з
таких основних операцій: підготовка поверхні, нанесення покрить,
промивання та сушіння.
Перед нанесенням покрить поверхню піддають:
механічній обробці для підвищення чистоти поверхні, видалення
нерівностей і продуктів корозії;
знежирюванню методом промивання в органічних розчинниках
{гас, бензин), обробкою у вапні і гарячих розчинниках лугів;
декоііірувашпо (легкому травленню) шляхом занурення деталі
в 5...10%-й розчин сірчаної або соляної кислоти на од ну-дві хвилини
для видалення з поверхні деталі тонких оксидних плівок і виявлен-
ня структури, що сприяє кращому зчепленню металевого покриття
з основним металом.
Металеві покриття можуть наноситися гальванічним вакуум-
ним і хімічним способами, а також металізацією.
Гальванічні (електролітичні) покриття одержують
осадженням металу при електролізі водних розчинів відповідних
солей.
Гальванічні покриття одержують під дією постійного струму в
кислих і ціані стих електролітах.
Деталь, що вкривається, є негативним полюсом (катодом), а ме-
талеве покриття - позитивним полюсом (анодом). Під дією ЕРС
молекули солей у водних розчинах дисоціюють на електрично за-
ряджені (позитивно і негативно) частинки — іони. При цьому пози-
тивні іони рухаються до катоду і осідають на ньому, тобто на деталі,
а негативні — до аноду, де виникає їх рекомбінація* і перехід мета-
лу електрода у вигляді позитивних іонів у розчин.
Перенесення іонів під дією ЕРС називається електролізом.
Якщо металеві покриття мають порівняно з основним металом
більш від’ємний потенціал, таке покриття називається анодним.
У цьому випадку металеве покриття утворює з основним металом
гальванічну пару, в якій металеве покриття, що є анодом, руй-
нується і попереджує руйнування основного металу. До анодних
покрить відносяться цинк, кадмій, олово.
* Процес, зворотний іонізації. При рекомбінації іони протилежних
знаків, з’єднуючись, утворюють нейтральну молекулу, а електрон та іонізо-
ваний атом — нейтральний атом (ре... + латин. сотЬіпаііоп — з’єднання).
87
Металеві покриття, які мають більший позитивний потенціал, ніж
основний метал, називають катодним. У цьому випадку метал деталі
і осаджене металеве покриття утворюють гальванічну пару, анодом у
якій слугує основний метал деталі. При попаданні вологи крізь дефе-
кти в покритті між покриттям і основним металом останній руйну-
ється. До катодних покриттів відносять мідь, нікель, срібло.
У радіоелектроніці використовують цинкування, кадміювання,
нікелювання, хромування, сріблення та лудження. Вироби зі сталі
найчастіше вкривають цинком, кадмієм, нікелем або хромом, а
вироби з мідних сплавів — нікелем, сріблом, оловом. Корпуси
мікросхем з ковару вкривають гальванічним нікелем, який може
слугувати захисним покриттям і підшарком для подальшого нане-
сення золотого гальванічного покриття.
М е т а л і з а ц і я це процес одержання відносно товстого
металевого покриття.
Товсті металеві покриття отримують зануренням деталей у роз-
плавлений метал (гаряча металізація) або за допомогою пістолета-
розпилювача (гаряче розпилення).
Гарячу металізацію використовують для одержання покриттів
тільки на металевих деталях. Для металізації використовують цинк
або олово. Покриття оловом здійснюється при виконанні монтаж-
них робіт у виробництві радіоелектронної апаратури для одержання
поверхневого електропровідного шару і захисту від корозії.
Гаряче розпилення використовують для одержання металевих
покриттів на металі, кераміці, пластмасі, склі, конденсаторному па-
пері, найтоншій тканині, полістирольній плівці та інших матеріалах
з низькою нагрівостінкістю.
Нагрітий у пістолеті метал розпилюється на поверхні деталі
нейтральним газом азотом або вуглекислим газом.
Вакуумні покриття одержують нанесенням топкого шару
будь-якого металу на поверхню металевих і неметалевих деталей у
вакуумі. При цьому використовують катодне розпилення або ваку-
умне випаровування.
Катодне розпилення проводять у вакуумних установках. Як анод
використовують металеву пластину, на якій закріплюють деталь. Каг
тодом слугує пластинка металу, який потрібно розпилити. Під дією
різниці потенціалів частинки з катоду переносяться на анод і осі-
дають на деталь. Процес катодного розпилення потребує високої
напруги (приблизно 10...ЗО кВ) і протікає протягом декількох годин.
Вакуумне випаровування також виконують у вакуумних уста-
новках. Деталь закріплюють на тримачі на визначеній відстані від
випарника. Останній являє собою вольфрамову спіраль, що вкрита
металом, який підлягає випаровуванню. Спіраль нагрівають у ваку-
умі до температури, за якої настає інтенсивне випаровування і осад-
жування металу на деталь.
Вакуумне випаровування набуло значного поширення, оскільки
не має недоліків катодного розпилювання.
Хімічний спосіб використовують для одержання метале-
вих покриттів за допомогою спеціальних розчинів без електричного
струму. Він заснований на відновленні іонів осаджуваного металу в ре-
зультаті взаємодії з відновником, який окпснюється І віддає свої елек-
трони. Іони металу, що містяться в розчині, приєднують ці електрони,
перетворюються в атоми і осаджуються на деталь у вигляді металевої
плівки. Реакція відновлення протікає лише на металевій поверхні.
Найбільшого поширення набули хімічне нікелювання і хімічне
міднення.
Хімічне нікелювання дозволяє покривати деталі складної форми і-
внутрішні поверхні, які не доступні для покриття гальванічним спосо-
бом. У мікроелектроніці хімічний нікель наносять на деталі корпусів
мікросхем, які герметизуються контактними методами зварювання.
Хімічне міднення використовують для металізації пластмас при
виготовленні печатних плат.
3.14. ПРОВІДНИКОВІ ВИРОБИ
Для передачі електричної енергії, з’єднання різних приладів і їх
частин, виготовлення обмоток електричних машин використовують
обмоткові, монтажні, встановлювальні проводи та шпури і кабелі.
Обмоткові проводи. Обмоткові проводи використовують для
виготовлення обмоток електричних машин, апаратів і приладів. Як
провідниковий матеріал в обмоткових проводах використовують
мідь і алюміній, властивості яких описані в підпунктах 3.3.1 і 3.3.2.
Залежно від виду ізоляції, що використовується в обмоткових про-
водах, їх випускають з емалевою, волокнистою, плівковою і емале-
во-волокнистою ізоляцією.
Емальовані проводи — найбільш перспективні серед об-
моткових проводів, оскільки мають найменшу товщину ізоляції
(0,007...0,065 мм). Використовуючи такий провід, можна'збільшити
потужність електричної машини за рахунок великої кількості
витків у обмотці. Емалева ізоляція наноситься на емалювальних
станках у вигляді гнучкого лакового покриття.
Найбільшого поширення набули проводи з високоміцними ема-
левими покриттями на основі полівінілацеталевої і поліефірної
смол (проводи марок ПЕВ І ПЕТВ з иагрівостійкістю до 130°С), а
також проводи з високоміцним емалевим покриттям на основі
поліуретанової смоли (провід марки ПЕВТЛ, луджений, з
иагрівостійкістю до 120°С).
Внаслідок наявності задирок на дроті і недосконалості техно-
логії емалювання в тонкому шарі ізоляційного покриття можуть
89
бути точкові пошкодження (невелика кількість наскрізних отворів). .Цу
На довжині проводу 1 м може бути від 5 до 15 точкових пошкод-
жень. Тому обмотки з проводів з емалевою ізоляцією просочують '
електроізоляційними лаками.
Характеристики деяких мідних та алюмінієвих проводів з ома- -.Ц}
левою ізоляцією наведені в табл. 3.10. .Д|
Таблиця 3.10 -Ж
_ ... . > * ШЙ
Деякі мідні та алюмінієві проводи з емалевою ізоляцією’
- • ... 1 ..-.............. —------ ' в'Ї
Марка проводу Діаметр жили (без ізоляції), мм Товщина ша- ру ізоляції (на одну сто- рону), мм Характеристика проводу 'їж4 і Область застосування Яг &
Мідні: ПЕЛ ПЕВ-1 ПЕВТЛ-2 ПЕТВ Алюмінієві: ПЕВА ПЕЛРА 0,02-2,44 0,05...2,44 0,06-1,0 0,06-2.44 0,82-2,44 0,08-2,44 0.007...0.05 0,012-0,05 0,015-0,065 0,015-0,065 0,015-0,065 0.015-0,065 Провід, ізольова- ний емаллю на висихаючих мас- лах Провід, ізольова- ний високо- міцною емаллю (віпіфлскс) ' Провід, ізольова- ний високоміц- ною поліурста- новою емаллю підвищеної теп- лоємності, луд- жений Провід, ізольова- ний високоміц- ною теплостій- кою поліефірною емаллю Провід, ізольова- ний високоміц- ною емаллю (вініфлекс) Провід, ізольова- ний високоміцною емаллю (поліімід- | но-резольною) ЧКЇу*,, гґ Ж Для котушок електрич- Ж| них апаратів і приладів, Найбільша допустима теїмпература 150°С "Жї /Жт Для обмоток електрич- них машин і апаратів. Найбільша допустима температура 11б°С - Те ж, але иаиоільпта допустима температу- ра 120°С. Емаль при їж паянні не потребує: за- чищення, оскільки во- на плавиться і слугує флюсом 'ОІІ Для обмоток елект- 'іЯІ ричних машин і апа- ратів. Найбільша до- пустима температура 130°С № Я Яг ! Й<Ж,% Для обмоток елект- 'Ож рпчнпх машин. Най- більша допустима температура 110° С ЖО Для котушок електрич- них апаратів і приладів. Найбільша допустима температура 105°С
♦Виробники провідникових матеріалів у позначеннях марок проводів:®* | використовують також російські літери, наприклад, ПЗВ-1, ГІЗТВ і т. д. -|| | 90 Ш Е' •Я
Найважливішими характеристиками емальованих проводів є
еластичність, нагрівостійкість і електрична міцність.
Еластичність емалевого проводу визначається за відсутністю
розтріскування емалі після випробовування на розтягування. Про-
води діаметром більше 0,38 мм розтягують до видовження на 10%
або до його розриву.
Нагрівостійкість емалевої ізоляції визначають у результаті
старіння зразків емальованого проводу.
Залежно від складу емальованого покриття зразки у вигляді
відрізків дроту кладуть у термостат і витримують при температурі 105,
125,155 або 200°С протягом 24 год. Після теплового старіння і охолод-
ження до кімнатної температури відрізки дроту діаметром більше за
0,38 мм навивають на круглий сталевий стержень визначеного діамет-
ра. Відрізки проводів меншого діаметра піддають розтягуванню до ви-
довження на 10% або до розриву. Після цих випробовувань на поверхні
проводу не повинно бути розтріскувань емалі.
Нагрівостійкість емалевої ізоляції на алюмінієвих проводах в
середньому на 6...8°С вища порівняно з нагрівостійкістю відповід-
них емалей на мідних проводах внаслідок меншої каталітичної дії
алюмінію на органічне емалеве покриття.
Електрична міцність емалевих проводів визначається пробивною
напругою, яку вимірюють па двох скручених один з одним відрізках
проводів довжиною 200 мм. Число скруток зменшується зі збільшен-
ням діаметра проводу. Найменше значення пробивної напруги для
двох шарів емалі на зразках із звитого дроту наведені в табл. 3.11.
Таблиця 3.11
Пробивна напруга деяких проводів з емалевою ізоляцією
Діаметр проводу (по міді), мм Число скруток за довжиною 200 мм Найменша пробивна напруга скручених проводів різних матеріалів, В
ПЕЛ ПЕВ-1 ПЕВТЛ-2, ПЕТВ
0,05...0,07 60 350 350 450
0,15...0,20 33 550 600 800
0,2 І.,.0,41 25 800 800 1200
0,86-1,35 15 1000 1200 1800
1.4...2,44 8 1250 1400
О б м о т к о в і проводи з волокнистою ізоляцією ма-
ють велику товщину ізоляції (0,05-0,17 мм) порівняно з емальовани-
ми проводами. Волокнистою ізоляцією може слугувати пряжа: бавов-
няна, шовкова, з капрону, азбестових, лавсанових і скляних волокон.
Найбільша нагрівостійкість обмоткових проводів досягається
використанням скляної і азбестової пряжі, що підклеюється до
поверхні проводу за допомогою гліфталевих і кр ємній органічних
лаків, які мають підвищену стійкість проти нагрівання.
91
Характеристики деяких мідних і алюмінієвих проводів з волок-
нистою та плівковою ізоляцією наведено в табл. 3.12.
Таблиця 3.12
Деякі мідні та алюмінієві проводи з волокнистою і плівковою ізоляцією
Марка проводу Діаметр проводу без ізоляції, мм Товщина ша- ру ізоляції (на одну сторону), мм Характеристика
Мідні: ПБ і.0.,.5,2 0,15-0,30 Провід, ізольований декількома шарами кабельного паперу
ПБО 0,2-2,1 0,05-0,07 Провід, ізольований одним шаром обмотки з бавовняної пряжі
ПБОО ІД..5,2 0,42 Провід, ізольований одним шаром обмотки та обпліткп з бавовня- ної пряжі
ПШД Прямокутного перерізу 0,83x3,53 0,07...0,08 Провід, ізольований двома шара- ми обмотки з натурального шовку
пед 0,31...5,2 0,11-0,165 Провід, ізольований двома ша- рами обмотки з скловолокна, ^просоченої теплостійким гліфта- лієвим лаком
Алюмінієві: АПБ 1,35-8,0 0.15...0,90 Провід круглого або прямокут- ного перерізу, ізольований декіль- кома шарами обмотки зі стрічок кабельного паперу
АПСД 1,62-5,2 0,125-0,150 Провід круглого або прямокут- ного перерізу, ізольований двома шарами обмотки з скловолокна, просоченої теплостійким лаком
При виготовленні обмоток трансформаторів за плівкову ізоляцію
для проводів слугує паперова стрічка, добре просочена мінераль-
ним маслом. Провід з плівковою паперовою ізоляцією забезпечує
високу електричну міцність обмоткам трансформаторів. Для підви-
щення механічної міцності ізоляції з паперової стрічки її вкривають
бавовняною або паперовою пряжею.
До обмоткових проводів з волокнистою ізоляцією ставлять такі
вимоги:
відсутність просвітів між нитками обмоток;
відсутність ниток при навиванні проводу на сталевий стержень,
діаметр якого дорівнює п’яти діаметрам проводу з волокнистою
92
ізоляцією в два шари, або при навиванні проводу з одношаровою ізоля-
цією на стержень, діаметр якого дорівнює десяти діаметрам проводу.
Обмоткові проводи з волокнистою ізоляцією мають такі власти-
вості:
невисокі електроізоляційні властивості, оскільки всі вили во-
локнистої ізоляції гігроскопічні, тобто поглинають вологу з повітря;
обмотки з проводів з волокнистою ізоляцією вимагають старан-
ного сушіння і просочення ізоляційними лаками або компаундами;
пробивна напруга проводів з шовковою ізоляцією становить
450...600 В, з бавовняною ізоляцією — 700... 1000 В, з азбестовою
ізоляцією — 450...500 В.
Марки деяких мідних і алюмінієвих проводів з плівковою
ізоляцією наведено у табл. 3.12.
У проводів з е м а л е в о-в о л о к н и с т о ю і з о л я ц І є ю на шар
емалі наносять обмотку з бавовняної, шовкової, капронової або скля-
ної пряжі. Такі обмоткові проводи використовують для виготовлення
тягових, шахтних електродвигунів, електричних машин і апаратів, які
експлуатуються у більш складних умовах і вимагають захисту емале-
вої ізоляції. Найбільшу механічну міцність має обмотка з лавсанових
волокон. Обмотка з скляної пряжі має підвищену нагрівостійкість.
Електрична міцність таких проводів визначається електричною
міцністю повітря, що міститься між волокнами, а також електрич-
ною міцністю емалевої ізоляції.
Характеристики деяких мідних проводів з емалево-волокни-
стою ізоляцією наведені в табл. 3.13.
Таблиця 3.13
Деякі мідні обмоткові проводи з емалево-волокнистою ізоляцією
Марка проводу Діаметр проводу без ізоляції, мм Товщина ша- ру ізоляції (на одну сторону), мм Характеристика
ПЕЛБО 0,1-2,1 0,062-0,105 Провід, ізольований е,маллю і од- ним шаром обмотки з бавовняної тканини
ПЕЛКО 0,2.„2,1 0,062-0,105 Те ж, але шар обмотки з капроно- вої пряжі
ПЕЛШО 0,05-2,1 0,035-0,078 Провід, ізольований масляною емаллю і одним шаром обмотки з натурального шовку
ПЕТСО 0,31...2,10 0,10-0,12 Провід, ізольований теплостій- кою (гліфталь) емаллю і одним шаром з скляної пряжі
ПЕТКСО 0,38...0,56 0,08-0,10 Те ж, але використана нагріво- стійка кремнійорганічна емаль
93
Монтажні кабелі і проводи. Кабелі і проводи призначені для
фіксованого внутрішньопри лад ного і міжприладного монтажу при-
ладів і апаратів, з’єднання електронної та електричної апаратури.
Монтажні кабелі і проводи виготовляють з полівінілхлоридною,.
поліетиленовою, поліетиленовою модифікованою, гумовою і волок-
нистою ізоляцією.
Кабелі МКШ з полівінілхлоридною ізоляцією, багатодротові в
полівінілхлорид ній оболонці призначені для роботи при напрузі до
500 В і частоті до 400 Гц або при постійному струмі до 750 В при
температурі від -40 до +60°С. Струмопровідні жили виготовляють
із мідного лудженого дроту.
Одно- або багатодротові проводи серії НВ з полівінілхлорид-
ною ізоляцією призначені для роботи при напрузі 500 В і частотою
5 кГц або 700 В постійного струму при температурі від -50 до +70°С.
Струмопровідні жили проводів НВ виготовляють із лудженого мід-
ного дроту, а проводів НВМ — з полудженого мідного дроту. На жи-
лу накладають полівінілхлоридну ізоляцію суцільного забарвлення
білого, жовтого, червоного, зеленого, синього, чорного, оранжевого,
рожевого, блакитного, сірого або коричневого кольорів різної тов-
щини залежно від робочої напруги.
Кабель КМВ з комбінованою волокнистою полівінілхлоридною
ізоляцією, призначеної до роботи при напрузі до 500 В постійного
струму або до 380 В змінного струму, в інтервалі температур від
-50 до +70°С. Струмопровідні жили виготовляють із лудженого
мідного дроту з ізоляцією з триацетатного волокна або стрічок і
полівінілхлоридного пластикату.
Проводи серії МШП з волокнисто-поліетиленовою ізоляцією
призначені для роботи при постійній напрузі до 500 В або змінній.
380 В частотою до 2 кГц, в інтервалі температур від -60 до +100°С.-
Струмопровідні жили виготовляють із лудженого мідного дроту,:
обмотаного двома шарами шовку з поліетиленовою ізоляцією.
Проводи марок МСТП призначені для роботи при напрузі до
500 В і температурі від -60 до +150°С. Струмопровідні жили про-
водів скручують з лудженого мідного дроту, обмотують подвійним
шаром скловолокна і накладають поліетиленову ізоляцію різних
кольорів, а потім опромінють.
Кабель КМП з фторопластовою ізоляцією призначений для
роботи при змінній напрузі 380 В частотою до 5 кГц або 600 В
постійного струму при температурі від -60 до +250°С. Струмопро-
відні жили кабелю виготовляють з посрібленого мідного (випале-
ного) дроту і обмотують скловолокном і стрічками Ф-4 (фторо-
пласта-4) з подальшою термообробкою. Ізольовані жили, які
призначені для накладення екрану, обмотують склонитками та
покривають кремній органічним лаком, оплітають лудженим
мідним дротом.
94
Монтажні плоскі проводи призначені для фіксованого монтажу
схем елементів електронної апаратури. Струмопровідні жили
плющать з круглого мідного дроту або лудженого мідного дроту і
вкладають паралельно в одній площині та ізолюють.
Термопарні і термоелектродні проводи призначені для приєд-
нання термопар до гальванометрів і схем автоматики. Проводи ви-
готовляють з жилами: мідь—константан, мідь—нікель, мідь—копель,
хромель—копель, хром ель—алюмель та ін. Для зручності розпізна-
вання металу або сплаву ізоляція або захисне покриття мають
умовне забарвлення (наприклад, мідь-копель має червоно-жовте
забарвлення, хромель-копель — фіолетово-жовте забарвлення і т. д.).
Встановлювальні проводи і шнури призначені для розподілення
електричної енергії в силових та освітлювальних мережах, а також
для приєднання електричних машин, різної промислової і лабора-
торної переносної апаратури та приладів.
Проводи. Струмопровідні жили установлювальних проводів і
шнурів виготовляють з мідного, алюмінієвого і алюмінієво-мідного
дроту різних типів скручування. Проводи виготовляють з ізоля-
цією з гуми на каучуковії! або кремншоргаиічшй основі, поліхлор-
вінілового пластикату, поліетилену і його модифікацій. Більшість
проводів з гумовою ізоляцією допускають тривале нагрівання стру-
мопровідних жил до +65°С, а проводи з поліхлорвініле вої та
поліетиленової ізоляції — до +70°С.
Проводи з иагрівостійкістю до 85°С виготовляють з гумовою
Ізоляцією на основі етилпропілснового каучуку і бутилкаучуку, а до
180°С — з кремнійоргапічної або фтореилоксансвої ізоляції. Проводи
з поліхлорвініловою ізоляцією випускають без захисних оболонок
(рис. 3.5). Вони мають високу водостійкість, маслостіпкість і него-
рючість, що зумовлює їхнє широке застосування. Проводи з гумовою
ізоляцією (рис. 3.6) у деяких випадках випускають з обплетенням
з бавовняної або шовкової пряжі. У деяких проводів захисне обпле-
тення просочують протигннлісною сумішшю. Встановлювальні
проводи випускають одно-, дво-, три-, чотири- і багатожильними.
Рис. 3.5. Проводи
встановлювальні з ізоляцією із
поліхлорвінілового пластикату:
а — марки ПЗ; б— марки ППВ; 1 — од-
нодротяна жила; 2 — Ізоляція із полі-
хлораінілового пластикату
Рис. 3.6. Встановлювальні проводи
з гумовою ізоляцією:
« — марки ПР; б— марки ПРГ; 1~ однодро-
тяна жила; 2 — ізоляція з вулканізованої
гуми; 3 — обплетення з бавовняної ткани-
ни; 4 — багатодротяна жила; 5 — покриття
(обмотка) з прогумованої стрічки
95
Шнури. Шнури випускають дно- ./ у з жильніімп (рис. 3.7) та три жил ьнимн. Ізольовані ЖИЛИ шнурів скручують між собою з лівим направленням Р1/Г; ? ньномао’Ф ШР скручування. У трижильних шнурів ''згуьюгюю'ізопя^є-о: ' середня ЖИЛа використовується ЯК ЗЯ" / — багатодро’ГЯяй хила; 2— ізоляція землююча. БІЛЬШІСТЬ шнурів СТІЙКІ вулканізованої гуми; 3 - обплетен- .... * . ня з бавовняної крученої пряжі проти деформації при температурі 70°С, стійкі проти розтріскування і мають розривну міцність не мен- шу 10 МПа і відносне видовження не менше 150%. Характеристики деяких встановлювальних проводів і шнурів наведенні в табл. 3.14. Таблиця 3.14 Деякі установлювальні проводи і шнури
Марка проводу Поперечний переріз,ММ2 Характеристика Область використання
II В-1 0,5... 185 Провід з мідною жилою 3 ПВХ ізоляцією Монтаж силових І освітлювальних мереж, монтаж вторинних кіл
пв-з 0,5...95 Провід 3 МІДНОЮ ЖИЛОЮ 3 ( ПВХ ізоляцією, гнучкий Гнучкий монтаж вторин- них кіл при прихованому І відкритому прокладанні
АПВ 0,75...120 Провід з алюмінієвою жи- і лою і ГІВХ ізоляцією Монтаж силових і освіт- лювальних мереж, мон- таж вторинних кіл
АППВ 0,75-6,0 Провід з алюмінієвими жи- лами, з ГІВХ ізоляцією, пло- ский Монтаж освітливая ь них і силових мереж І нерухо- ме відкрите прокладання
ппв 1,5...6,0 Те ж, але з мідною жилою Тс ж
АМПВ 1,5...6,0 Провід з алюмінієво-мідною жилою з ПВХ ізоляцією Монтаж силових і освітлювальних мереж, монтаж вторинних кіл
РКГМ 0,75-95 Провід з мідною гнучкою жи- лою, ізольований нагріво- стійкою кремній-оргаш чною гумою, поверх якої є обпле- тення з скловолокна, просоче- не нагрівостійким лаком Виводи електродвигунів і апаратів напругою до 389 В з кіл виїденими ро- бз-шми темп ер тґ упами
швп 0,5... 1,5 Шнур з ізоляцією з ПВХ пластикату, яка вкладена по- верх двох паралельних жил Осш тлювальні мережі .!.:атрусою 220 Я, а також для дрКсдааніїЛ пере- | -іоснлх струмоприймачів
шввп 0,5-0,75 Шнур з ізоляцією з ПВХ пластикату, яка вкладена по- верх двох або трьох паралель- но вкладених гнучких жил | Гс ж
Кабелі. Силові кабелі використовуються для передачі та роз-
поділення електричної енергії. Струмолровідні жили кабелів виго-
товляють з м’якого мідного дроту (марка ММ), а також з алюмініє-
вого м’якого або твердого дроту (марки АМ і АТ). Струмопровідні
жили виготовляють однодротяиими і багатодротянимп, що визна-
чається вимогами щодо забезпечення гнучкості кабелю. Переріз
струмопровідшіх жил може мати круглу, сегментну або секторну
форму (рис. 3.8). В одножильних кабелях використовують жили
круглої форми, в двожильних — круглої і сегментної, а в три- і чоти-
рижильних кабелях — секторної форми.
Рис. 3.8. Багатодротяні жили кабелів:
а — кругла неущільнена жила; б — кругла ущільнена жила; в — секторна ущільнена
жила; г — сегментна ущільнена жила
Для передачі та розподілення
електричної енергії в установках з
напругою до 10 кВ використову-
ють кабелі з гумовою ізоляцією
(рис. 3.9).
На напругу 1,3, 6,10,20,35 кВ
і ви ще в ш іус ка ют ь с і їлов і кабел і з
пластмасовою (рис. 3.10) і з папе-
ровою просоченою ізоляцією
(рис. 3.11).
Рис. 3.10. Силовий кабель
з гумовою ізоляцією жил
в обплетенні з поліхлорвінілового
пластикату:
1 — однодротяні жили; 2 — ізоляція жил
з вулканізованої гуми; 3 — оболонка
із поліхлорвінілового пластикату
1 2 3 4 5 6 7
6
Рис. 3.9, Силовий кабель з гумовою
Ізоляцією в свинцевій оболонці,
неброньований:
7 — свинцева оболонка; 2 — поясна ізоляція;
З — покриття (обмотка) із прогумованої
стрічки; 4 — ізоляція із вулканізованої гуми;
5 — мідна багатодротяна жила; б — міжфазове
заповнення
Рис. 3.11. Силовий кабель
з паперовою ізоляцією жил у
свинцевій оболонці, броньований:
1 — верхнє захисне покриття із грубої
просоченої пряжі; 2 — броньоване по-
криття із сталевих стрічок; 3 — захисне
покриття (нижня подушка); 4 — свин-
цева оболонка; 5 —• поясна ізоляція;
6 — міжфазове заповнення; 7 — папе-
рова просочена ізоляція; 8 — мідні
багатодротяні жили
4 «Електроматеріалознавстзо»
97
Контрольні питання
1. Які механічні властивості мають провідникові матеріали?
2. Назвіть фізико-хімічні властивості провідникових матеріалів.
3. Які матеріали високої провідності ви знаєте і де вони використо-
вуються?
4. Який метал слугує електротехнічним стандартом?
5. Де використовують матеріали високого опору?
6. Яке основне призначення благородних металів?
7. Де використовуються тугоплавкі матеріали?
8. За яких умов деякі матеріали переходять у надпровідний стан?
9. Які матеріали відносяться до неметалевих провідників? Як їх
одержують?
ІО. Що являють собою контактоли і для чого вони призначені?
11. Які матеріали використовують для розривних контактів?
12. Як наносять металеві покриття?
13. Де використовують обмоткові, монтажні, встановлювальні про-
води?
98
Розділ 4
НАПІВПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ
До напівпровідникових матеріалі в відносять велику групу речо-
вин. За питомим електричним опором вони займають проміжне
місце між провідниками і діелектриками (звідси і походить їх назва).
Діапазон значень питомого електричного опору р для провідників
при кімнатній температурі становить від 1,6-10-8 до 1-10‘6 Ом-м.
Для низькочастотних ізоляційних матеріалів питомий електричний
опір р змінюється від 106...108 до 10й... 10і6 Ом-м. Питомий елект-
ричний опір для напівпровідників становить 10А..109 Ом-м. Ці
межі умовні і у визначеному діапазоні перекриваються, що пов’язано
з особливостями матеріалів цих груп.
Електропровідність напівпровідників істотно залежить від зов-
нішніх чинників: зміна температури, опромінення, електричних
магнітних полів, тиску, а також від наявності дуже незначної
кількості домішок. У провідникових матеріалів при температурі,
що наближається до нуля, питома електрична провідність у збіль-
шується, а при переході у надпровідний стан — набуває нескінченно
великих значень (рис, 4.1). На відміну від провідників у напівпровід-
ників при зменшенні температури їх питома електрична провідність
зменшується, а при наближенні температури до 0°К напівпровідники
перестають проводити електричний струм і переходять у розряд
діелектриків. При підвищенні температури питома електрична
провідність у напівпровідників різко
збільшується. Такий характер по-
ведінки напівпровідників при зміні
температури дозволяє використову-
вати тепло для керування їхньою
питомою електричною провідністю.
Поведінка напівпровідника за-
лежить також і від його внутрішньої
структури. В провідникових матері-
алах провідність пов’язана з появою
вільних зарядів, іцо викликано змі-
ною температури і внутрішньою
будовою провідника. Для появи
Рис. 4.1. Залежність питомої
провідності металів (1)
і напівпровідників (2)
від температури
4*
99
вільних носіїв заряду в напівпровідниковому матеріалі необхідна
зовнішня енергія (теплова, механічне навантаження, опромінювання
ядерними частинками, електричне і магнітне поля та ін.). Якщо
носії заряду з’явились під дією тепла, то вони називаються рівно-
важними. В результаті дії на напівпровідник інших видів енергії
утворюються додаткові мерів поважні носії зарядів.
Електропровідність напівпровідника різко змінюється при вве-
денні до їх складу навіть незначної кількості атомів домі пікової
речовини. Вона залежить також не тільки від кількості, але й від
виду стороннього елемента. Наприклад, при введенні в хімічно
чистий германій 0,001% миш’яку його питома провідність збіль-
шується у 10 000 разів.
Напівпровідники допускають зворотне перетворення елект-
ричної енергії в теплову, світлову або механічну.
4.1. ВЛАСТИВОСТІ НАПІВПРОВІДНИКІВ
Властивості напівпровідникових матеріалів характеризуються
такими показниками: власна і домішкова провідності напівпро-
відників, електропровідність напівпровідників, оптичні та фотооп-
тичні явища у напівпровідниках, електронні процеси на поверхні
напівпровідників, контактні явища у напівпровідниках.
Власна і домішкова провідності напівпровідників. Власна про-
відність напівпровідників може бути розглянута на прикладі
кремнію, який є елементом IV групи Періодичної системи хімічних
елементів Д. І. Менделєєва. Ці елементи утворюють алмазоподібну
модифікацію гранецеитрованих кубічних ґраток, в яких кожний
атом, розміщений у вузлі кристалічних граток, оточений чотирма
іншими атомами і зв’язаний з ними ковалентним зв’язком. Оскільки
при ковалентному зв’язку кожний зовнішній електрон належить'
одночасно двом атомам, то зовнішні оболонки атомів містять по
вісім електронів. При цьому всі електрони зовнішніх оболонок
беруть участь в утворенні ковалентних зв’язків і вільні носії, що
утворюють електропровідність, відсутні (рис. 4.2, а). Для того, щоб
електрон перетворився у вільний носій заряду, необхідно надати
йому додаткової енергії, достатньої для розриву ковалентного зв’язку?
Така енергія визначається шириною забороненої зони і називається
енергією активації ДТЕа (рис, 4.3).
При розриві ковалентних зв’язків електрон, що звільнився, під
дією теплової енергії хаотично рухається по об’єму напівпровідника;
На місці електрона, що відірвався, залишається позитивно заряд-
жений незаповненні! зв’язок із зарядом, який дорівнює заряду еле-
ктрона, і називається діркою. На зонній діаграмі (рис. 4.3) електро-
ну відповідає зона провідності ЇУс, а дірці — незайнятий електроном
100
Рис. 4.2. Модель кристалічних ґраток кремнію
стан у валентній зоні При відсутності зовнішнього електрично-
го поля дірка, як і електрон, здійснює хаотичні рухи. При цьому са-
ма дірка, на відміну від електрона, не переміщується по кристалу. Її
рух зв’язаний з тим, що за рахунок енергії теплових коливань ґра-
ток електрон сусіднього ковалентного зв’язку може заповнити
вільний ковалентний зв’язок в атомі з діркою. В результаті цього
атом, у якого заповнюються всі зв’язки, стає нейтральним, а в атомі,
що втратив електрон, утворюється дірка (рис. 4.2, 6). Таким чином,
справляється враження руху дірок.
При дії на напівпровідник зовнішнього електричного поля еле-
ктрон, що має негативний заряд, переміщується у напрямку, проти-
лежному напрямку зовнішнього поля, досягаючи швидкості V. Від-
ношення середньої швидкості дрейфу електрона V до напруженості
електричного поля Е називають рухливістю електрона, м2/(В-с):
цл==п/Е. (19)
101
\Уу
і Валентна
зона
Зона
> провідності
\Ус
Рис. 4.3.
Діаграма зонної структури
власної провідності
Заборонена
зона
} к\У
негативно зг
елект
Зона
провідності
\УС
> Валентна
зона
Рис. 4.4. Діаграма зонної структури
домішкової провідності
Заборонена
. зона
( ДІВ
Рухливість електронів і
дірок Цр при власній провідності
може бути різною, оскільки ме-
ханізм переміщення в електрич-
ному полі вільних електронів і
електронів, які переміщуються
із ковалентних зв’язків по неза-
повнених зв’язках дірок, різний.
Рухливість електронів, як пра-
вило, вище рухливості дірок.
Для кремнію = 0,145 м2/(В>с),
= 0,045 м2/(В-с).
Концентрація вільних елек-
тронів п в напівпровіднику на
відміну від металів значно ниж-
ча концентрації атомів. Напри-
клад, власна концентрація носіїв
заряду в кремнію становить
З-1016 м*3 при концентрації
атомів 5- Ю28 м3.
Процес утворення вільних
власної провідності і позитивно заряджених дірок провідності
називають генерацією електронно-діркових пар.
Одночасно з генерацією електронно-діркових пар у напівпро-
віднику виникає і зворотний процес, коли електрони повертаються
із зони провідності у валентну зону з виділенням енергії ДП7. Цей
процес називається рекомбінацією носіїв зарядів.
Провідність напівпровідника,
яка виникає в результаті розриву
власних ковалентних зв’язків,
називають власною провідністю.
Власна електропровідність
напівпровідника у складається з
електронної електропровідності уп
і діркової електропровідності ур:
у = уп + Ур. (20)
Домішкова провідність напів-
провідників зумовлена недоско-
налістю кристалічної структури
напівпровідника. Дефекти в крис-
талічних Гратках викликають ут-
ворення додаткових енергетич-
них рівнів всередині забороненої
зони (рис. 4.4). Завдяки цьому для
102
переходу електрона з додаткового рівня в зону провідності або з
валентної зони на додатковий рівень необхідна енергія, менша
ширини забороненої зони А ТУ. У випадку переходу електрона з
додаткового енергетичного рівня в зону провідності з’являється
додатковий електрон провідності. При переході електрона з валент-
ної зони на додатковий енергетичний рівень утворюється додаткова
дірка провідності.
Якщо у кристалічних ґратках кремнію знаходиться атом доміш-
ки, який являє собою елемент V групи Періодичної системи хіміч-
них елементів Д. І. Менделєєва, наприклад, фосфор (рис. 4.5), то чо-
тири з п’яти валентних електронів фосфору будуть брати участь у
формуванні ковалентних зв’язків з сусідніми атомами основного
елемента кремнію. П’ятий валентний електрон фосфору зв’язаний
тільки зі своїм атомом, і міцність цього зв’язку набагато менша
міцності ковалентного зв’язку. Для переходу цього електрона на до-
датковий енергетичний рівеньІУд (див. рис. 4.4) необхідна енергія,
б
Рис. 4.5. Моделі кристалічних ґраток донорного (а)
і акцепторного (б) напівпровідників
103
набагато менша енергії ширини забороненої зони ДЩ Для валентно-
го електрона у кремнія енергія іонізації Ид = 0,044 еВ, 1,12 еВ.
П’ятий електрон, що відірвався від атома фосфору, перетворюється
в електрон провідності. На місці електрона, що відірвався, утво-
рюється дірка, яку не можуть заповнити електрони інших атомів
фосфору, оскільки концентрація його у кремнії дуже мала і його
атоми розміщені далеко один від одного. Отже, дірка залишається
нерухомою, діркова провідність у такому напівпровіднику відсутня
і його провідність носить електронний характер.
Напівпровідники з переважною електронною електропровід-
ністю називають електронними або и-типу (п — пі^аґіуе — негатив-
ний). Електрони у напівпровіднику п-типу називають основними
носіями заряду, а дірки — не основними носіями.
Домішки, які викликають появу у напівпровіднику додаткових
вільних електронів, називають донорами, а електропровідність, зу-
мовлену донорною домішкою, називають електронною. Енерге-
тичні рівні ТЕд при електронній провідності розміщені близько зони
провідності Йс (див. рис. 4.4).
Якщо у кристалічних ґратках кремнію знаходиться атом домішки,
який являє собою елемент III групи Періодичної системи хімічних
елементів Д. І. Менделєєва, наприклад, бору, то всі три валентних еле-
ктрони бору беруть участь в утворенні ковалентних зв’язків з
кремнієм. А один зв’язок кремнію залишається незаповненим. Цей
зв’язок можна заповнити електроном сусіднього атому кремнію, утво-
ривши четвертий ковалентний зв’язок з домішковим атомом бору.
Для цього електрон повинен отримати енергію IV а, значно меншу, ніж
енергія забороненої зони А Ж (див. рис, 4.4). Енергія іонізації для бору
И7а = 0,046 еВ.
Прийнявши додатковий електрон, атом бору іонізується і стає
негативним іоном. При цьому один з чотирьох зв’язків сусіднього
атому кремнію залишається незавершеним, тобто утворюється
дірка. В результаті теплових коливань ґраток цей незавершений
зв’язок може бути заповнений електроном сусіднього атома, ство-
ривши нову дірку. Таким чином, в результаті зникання одних дірок
і утворення нових виникає хаотичний рух дірок у межах кристала,
які є носіями заряду. Тому електропровідність напівпровідника має
дірковий характер.
Дефекти, які викликають появу у напівпровіднику додаткових
дірок провідності, називають акцепторними, а електропровідність,
що зумовлена акцепторною домішкою, — дірковою. Енергетичні
рівні акцепторних дефектів йф, як правило, знаходяться поблизу
межі валентної зони НД/. Відповідно напівпровідники з переважною
дірковою електропровідністю називають дірковими або р-типу
(розйіуе — позитивний). В напівпровіднику р-типу основними
носіями заряду є дірки, а не основними — електрони.
104
Введення домішок у напівпровідник викликає появу домішкової
електропровідності, яка виникає в результаті іонізації атомів
домішок. На відміну від власної домішкова електропровідність
утворюється завдяки наявності носіїв заряду тільки одного знаку
(електронів у напівпровідниках п-типу і дірок у напівпровідниках
р-типу).
Можливість керувати значенням і типом електропровідності
напівпровідників в результаті введення домішок лежить в основі
створення всіх напівпровідникових приладів.
Процес контрольованого введення у напівпровідник необхідних
домішок називають легуванням.
Якщо домішки проникають між вузлами кристалічних ґраток,
то їх називають домішками проникнення. При цьому тип провідності
визначається, в основному, відносними розмірами атома.
У випадку, коли атом домішки заміщає атом напівпровідника і
займає його місце у вузлі кристалічних ґраток, то такі домішки на-
зивають домішками заміщення.
Атоми багатьох домішок можуть заміщати атоми напівпровід-
ника у вузлах кристалічних ґраток та проникати у міжвузля. Такі
домішки називають амфотерними. Вони можуть бути донорами і
акцепторами.
Реальні напівпровідникові матеріали містять донорні і акцеп-
торні домішки. Якщо концентрація донорнпх ДОМІШОК Ад більше
концентрації акцепторних домішок Аа> то концентрація вільних
електронів буде більше концентрації дірок (п > р). Електрони є
основними носіями, а дірки — не основними, і у напівпровіднику
переважає електронна провідність. Коли концентрація акцепторних
домішок Аа більше концентрації донорнпх домішок Ад, то основни-
ми носіями заряду стають дірки і в напівпровіднику переважає
діркова електропровідність.
Домішки, які не впливають на електропровідність напівпровід-
ників, називають нейтральними.-
На властивості напівпровідникових матеріалів не впливають
також й інші дефекти кристалічної структури: дислокації*, ва-
кансії** та ін. Але керувати електропровідністю напівпровідників,
використовуючи ці дефекти, неможливо. Тому у виробництві нама-
гаються отримати напівпровідникові матеріали з мінімально мож-
ливим вмістом дефектів кристалічної структури, а потім виконують
легування.
* Місцеве порушення періодичного чергування атомних площин у кри-
сталах, що утворюється в процесі їх росту або пластичної деформації (від.
франц. дїзіосаііоп).
**Вузол кристалічних ґраток твердого тіла, не зайнятий атомом або
іоном (від. франц. гасапзе, латин, сасапз — вільний, порожній).
105
Електропровідність напівпровідників. За відсутності зовніш-
нього електричного поля носії зарядів у напівпровіднику (елект-
рони та дірки) хаотично рухаються в межах кристала. В результаті
прикладання зовнішнього поля електрони починають рухатися
в напрямку протилежному напрямку поля, а дірки — в напрямку
поля.
У власному напівпровіднику носіями заряду є вільні електрони
та дірки, концентрація яких однакова. За наявності зовнішнього по-
ля щільність електронної складової струму/, що протікає крізь
власний напівпровідник, виражається рівнянням:
Л = (21)
де п — концентрація електронів зони провідності;
е — заряд електрона;
ь'п — дрейфова* швидкість електронів.
Аналогічно діркова складова густини струму для власного
напівпровідника визначається виразом:
/р = реі>р, (22)
де р — концентрація дірок;
е — заряд дірки;
ір — дрейфова швидкість електронів.
Густина струму крізь власний напівпровідник / дорівнює сумі
електронної і діркової складової густини струму:
/ = ]п +}р = ПСЇП + рвГр. (23)
Питома електрична провідність напівпровідника зумовлена
електронами, з урахуванням рухомості електронів ри:
уп = пецп, (24)
де ця = яп/Е, м2/(В-с).
Питома електрична провідність, зумовлена дірками:
ур - перр, (25)
де цр == гр/Е, м2/(В-с).
Питома електрична провідність власного напівпровідника увлас
визначається сумою електронної провідності уп і уР:
Уалас = Уп + Ур = Ифя +перр, (26)
для напівпровідника з власного провідністю п = р.
* Дрейф (від. голланд. (Ігуиеп — гнати, плавати) — повільне направлене
переміщення заряджених частинок, яке накладається на більш швидкий
безладний (тепловий) рух.
106
Питома електрична провідність напівпровідника и-типу визна-
чається сумою домішкової 7дом і власної увлас питомої електричної
провідності:
Уя ~ Удом Увлас, (27)
де удом я «деу«;
«д — концентрація вільних електронів, що утворилися за рахунок іонізації
донорної домішки, тобто в результаті переходу електронів з донорних
рівнів в зону провідності.
Таким чином,
у« = ПдЄЦ» + яєрл Ч- пе\Хр.
(28)
При кімнатній температурі у германію і кремнію власна питома
електрична провідність увлас значно менше домішкової питомої елект-
ричної провідності удом, оскільки донорна домішка повністю іонізова-
на, а власна електропровідність проявляється слабко. При підвищенні
температури власна питома електропровідність збільшується і у дея-
кий момент стає більше домішкової. Наприклад, для германію з р = 0,1
Ом-м власна електропровідність починає переважати над домішковою
при температурі 90° С, а для випадку з р = 10-5 Ом-м — при 500° С.
Для напівпровідника р-типу питома електрична провідність:
У» ~ Удом Ч- увлас, (29)
де Удом = РаРді Ра — концентрація дірок, що утворилися за рахунок
іонізації акцепторної домішки, тобто в результаті переходу електронів із
валентної зони наакцепторні рівні.
Питома електрична провідність напівпровідників визначається
концентрацією вільних носіїв заряду та їх рухомістю. Рухомість
носіїв заряду пі визначається їх ефективною масою, швидкістю і
частотою зіткнень з вузлами і дефектами кристалічних ґраток і в
цілому мало залежить від температури. Тому на характер залеж-
ності електропровідності напівпровідників від температури в
основному впливає концентрація носіїв заряду.
Рис. 4.6. Теоретична залежність
провідності напівпровідників від
температури при різних
концентраціях донорних домішок
(Мд-і >ИдЗ > N^2 ^Мді)
При кімнатній температурі
концентрація домішкових носіїв
заряду переважає над власного
провідністю. За подальшого під-
вищення температури виникає
виснаження домішки, тобто всі
валентні електрони домішки
переходять у зону провідності і
зростання провідності призупи-
няється (рис. 4.6, ділянка 2-3).
Провідність залишається постій-
ною доти, доки температура не під-
вищиться настільки, що теплової
107
1
с
г.
ґ
енергії стане достатньо, щоб власні електрони могли перейти в зону/
провідності ІУс, подолавши заборонену зону АIV. Завдяки цьому пе-/
реходу концентрація носіїв заряду почне різко зростати за рахунок
власних електронів (ділянка 3 — 4). Концентрація власних атомів
напівпровідника на декілька порядків вище концентрації атомів
домішок, тому власна провідність при цій температурі значно
більша домІшкової. Отже, власна провідність є визначальною.
За умови високих температур провідність напівпровідників
наближується до провідності провідників.
У разі великої концентрації домішок зона додаткових енерге-
тичних рівнів зливається із зоною провідності. В цьому випадку вже
при кімнатній температурі всі валентні електрони домішки знахо-
дяться у зоні провідності, будучи носіями зарядів, і їх концентрації
не залежать від температури. Такий напівпровідник називають
виродженим домішковим напівпровідником. У такому напівпровід-
нику концентрація домішок не впливає на власну провідність.
Підвищення провідності напівпровідників із зростанням
температури вказує на те, що напівпровідники мають від’ємний
температурний коефіцієнт питомого електричного опору ТКр. Цю
залежність використовують для створення напівпровідникових
первинних перетворювачів температури — термісторів.
Власна електрична провідність кремнію і германію проявляється
при порівняно низьких температурах, тому температурний діапазон
більшості напівпровідникових приладів невеликий (до 1ОО...15О°С).
Оптичні і фотоелектричні явища у напівпровідниках. При про-
ходженні світла через напівпровідник частинки світла (фотони*)
частково відбиваються, а частково поглинаються електронами і ато-
мами кристалічних ґраток. Ступінь поглинання електромагнітної
енергії характеризується коефіцієнтом поглинання а. Значення,
обернене коефіцієнту поглинання 1/а, дорівнює товщині шару
напівпровідника, при проходженні крізь який інтенсивність світла
зменшується в е разів {е = 2,72).
Поглинувши фотон, електрон переходить на більш високий
енергетичний рівень. Для переходу в зону провідності електрон
повинен поглинути фотон, енергія якого достатня для подолання
забороненої зони АIV. Енергія такого фотона:
17=Лу = Лс/Х, (ЗО)
де Л — постійна Планка, к = 4,14 -10*15 еВ-с;
с — швидкість світла, с ==3-108 м/с;
у — частота падаючого світла;
X — довжина хвилі падаючого світла.
*Частина світла, квант електромагнітного поля, одна з нейтральних еле-
ментарних частинок з нульовою масою і спіном 1. Світло — це потік фотонів.
Фотонами називають також і рентгенівські кванти (від. греи.. ркоіїз — світло).
108
Наприклад, кремній поглинає світло з довжиною хвилі менше
X = 1,1 мкм.
Максимальну довжину хвилі, яку поглинає напівпровідник,
називають довгохвильовою, або червоною межею. Оскільки ширина
забороненої зони різних напівпровідників знаходиться в інтервалі
від 0,1 до 3 еВ, то гранична довжина світла, що поглинається, може
знаходитись у різних частинах спектра: інфрачервоній, видимій,
ультрафіолетовій.
Якщо для переходу електрона з валентної зони в зону провід-
ності електромагнітної енергії достатньо, то такий перехід назива-
ють прямим, Якщо енергії фотона, що поглинається, недостатньо
для переход}' електрона в зону провідності і необхідну додаткову
енергію він одержує за рахунок теплових коливань, то такий перехід
називають непрямим.
Поглинання світла у напівпровіднику призводить до появи
додаткових при даній температурі нерівповажних носіїв заряду, що
підвищує його електропровідність.
Провідність, викликану дією світла, називають фотопро-
відністю.
При збільшенні Інтенсивності опромінення кількість вільних
носіїв заряду в напівпровіднику зростає. Одночасно збільшується
й інтенсивність процесу рекомбінації. Зростання процесів гене-
рації і рекомбінації відбувається доти, поки між ними не встано-
виться динамічна рівновага. Цей процес називають релаксацією
фотопровідності. Час, необхідний для рекомбінації нерівиоваж-
них носіїв, що з’явились при опроміненні, для різних напів-
провідників становить від наносекунд до декількох годин. Час, за
який концентрація нерівно важ них носіїв заряду зменшується у е
разів, називають ефективним часом життя нерівповажних носіїв
заряду т. Якщо час життя вільних електронів у напівпровіднику
дорівнює т, то в одиницю часу число електронів у зоні провід-
ності зменшується на Дя/т, де А/? = п- по — зміна концентрації
нерівноважних носіїв.
Залежність електропровідності напівпровідникових матеріалів
від освітленості використовують для створення фоточутливих при-
ладів, які працюють у широкому діапазоні довжини хвиль (від дов-
гих інфрачервоних до коротких ультрафіолетових).
Процес дії світла на напівпровідник має зворотний характер.
При зворотному переході електрона із верхнього стану на нижній
енергія, що звільнилася, також може бути виділена у вигляді кванту
світла. Таке світіння не є тепловим (рівноважним). Серед нерівно-
важних випромінювань особливе місце займає люмінесценція.
Електронні процеси на поверхні напівпровідників. Реальна
поверхня напівпровідникового кристалу відрізняється не тільки від
його моделі, але й від об’ємної структури реального кристала. На
109
реальній поверхні напівпровідника присутні різні макро- та мікро-
скопічні дефекти. їх поява викликана такими причинами: ,
поява на поверхні дефектів (дислокації, дефекти упаковки) н
процесі вирощування напівпровідникового кристала і осадження
епітаксійних шарів; І
порушення поверхневого шару в процесі механічної обробки (рі-
зання зливків на пластини, шліфування, полірування пластин), в ре-
зультаті чого виникає порушення періодичності поверхневих шарів;
поглинання поверхнею напівпровідника (адсорбція) із навколиш-
нього середовища сторонніх молекул, атомів, іонів. Це поглинання
може виникати під дією електричного поля (фізична адсорбція) або
в процесі хімічної реакції (хемосорбція);
наявність у реальних кристалів напівпровідників кінцевих роз-
мірів, що призводить до обривання кристалічних ґраток на поверхні.
В результаті у атомів, що розміщені у поверхневому шарі кристала,
де всі ковалентні зв’язки завершені. Тому на енергетичній діаграмі
поверхні напівпровідника (на
Рис. 4.7. Діаграми поверхневих
явищ у напівпровідниках:
а — енергетичні зони; б — розподілення
об'ємного заряду; в — розподілення
концентрації носіїв заряду в напівпровід-
нику д-типу; г—те ж, р-типу: І —елект-
ропровідність гс-типу; 2 —- те ж, р-типу
відміну від його об’єму) є додаткові
енергетичні рівні, які лежать у забо-
роненій зоні (рис. 4.7, а). Час пере-
ходу носіїв заряду на поверхневі
рівні напівпровідника приблизно
10'8 с, тому їх називають швидкими
станами. Через швидкі стани здій-
снюється поверхнева рекомбінація;
наявність окисних плівок на по-
верхні напівпровідника також є при-
чиною для утворення додаткових
поверхневих рівнів (рис. 4.7, б). Час
переходу вільних носіїв заряду па ці
рівні становить від 10‘3с до декількох
діб. Така тривалість переходу пов’я-
зана з тим, що для проходження
електрона крізь оксидну плівку не-
обхідний значний час. Вказані рівні
називають повільними станами.
Наявність поверхневих дефек-
тів призводить до того, що власти-
вості поверхні напівпровідника
можуть значно відрізнятись від
його об’ємних властивостей.
Поверхневі рівні можуть захоп-
лювати електрони і дірки, які локалі-
зуються на поверхні напівпровідни-
ка. В результаті електростатичної
взаємодії локалізованих на поверхні
110
електронів з носіями заряду в об’ємі напівпровідника виникає про-
сторовий заряд. Поява просторового заряду призводить до виник-
нення електричного поля в цьому шарі і відповідно до викривлення
енергетичних зон.
і Товщина шару просторового заряду залежить від щільності
поверхневих рівнів і від концентрації вільних носіїв заряду у на-
півпровіднику. При щільності поверхневих рівнів порядку 10і5 М‘2
і концентрації вільних носіїв заряду 1022 м"3 область просторово-
го заряду в напівпровіднику поширюється на глибину приблизно
І О-6 м.
Поява поверхневих зарядів погіршує частотні властивості
напівпровідникових матеріалів, тому для виготовлення високочас-
тотних напівпровідникових приладів необхідно ставити жорсткі
вимоги до якості та чистоти поверхні напівпровідникових матері-
алів, що використовуються, і досконалості кристалічної структури.
Щоб виключити абсорбцію сторонніх елементів, використовують
чисті середовища і матеріали, що стикаються з поверхнею напівпро-
відника в процесі виробництва приладів та інтегральних мікросхем.
Контактні явища у напівпровідниках виникають навкруги межі
розподілу контактного електричного поля. Дія його на поверхневі
шарп напівпровідника аналогічна дії деякого зовнішнього елект-
ричного поля.
Якщо одна область напівпровідника має електронну провідність, а
інша — діркову, то межу між цими областями називають електронно-
дірковим переходом або р-«-переходом. Отримати р-«-перехід при
механічному стиканні напівпровідників з різним типом провідності
неможливо. Для одержання р-«-переходу одну частину напівпровід-
ника легують доиорною, а іншу — акцепторною домішкою. В результа-
ті одна частина напівпровідника має електронну провідність, а інша —
діркову. При стиканні електрони дифундують у р-область, де велика
концентрація дірок, і рекомбінують з дірками. Аналогічно дірки дифун-
дують в «.-область, де велика концентрація електронів. В результаті у
межі розподілу «-області залишаються некомпенсовані іони донорної
домішки, які створюють об’ємний позитивний заряд. На межі розподі-
лу р-області некомпенсовані іони акцепторів створюють об’ємний не-
гативний заряд. Отже, в області розподілу напівпровідників «-типу
і р-типу утворюється зона, що містить вільні носії заряду. Ця область
складає товщину р-«-переходу. При цьому позитивний об’ємний за-
ряд пекомпенсованих іонів донорної домішки, що утворився, перешко-
джає подальшій дифузії дірок із р-області в «-область. Таким чином,
некомпенсовані іони домішки створюють на межі розподілу потен-
ціальний бар’єр для основних носіїв заряду. Для переборення цього
бар’єра основні носії повинні мати достатню кінетичну енергію. За до-
помогою прикладання зовнішнього поля висоту потенціального
бар’єра можна збільшити або зменшити, змінюючи полярність.
111
4.2. ОСНОВНІ ВИМОГИ
ДО НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
На основі напівпровідникових матеріалів створено багато різно-/
манітних напівпровідникових приладів. Властивості й параметри
напівпровідникового матеріалу значно впливають на властивості,
параметри та характеристики цих приладів. Властивості електронпа-
діркового переходу покладено в основу принципу дії більшості
напівпровідникових приладів, зокрема, випрямляючих діодів, ста-
білітронів, біполярних транзисторів, тиристорів, варикапів та ін.
Стабільна робота напівпровідникових приладів можлива тільки при
температурі, що відповідає домішковій електропровідності. При ви-
сокій температурі з’являється власна електропровідність, яка пору-
шує нормальну роботу приладу. Максимально допустима темпера-
тура напівпровідникового приладу, в першу чергу, визначається
шириною забороненої зони напівпровідникового матеріалу.
Таким чином, використання матеріалу з великою шириною
забороненої зони дозволяє збільшити максимальну допустиму тем-
пературу приладу. Крім того, прилади, що використовують напів-
провідникові матеріали з великою шириною забороненої зони,
здатні працювати з більшою допустимою питомою потужністю
розсіювання. За нормальних умов роботи в цих приладах можна
зменшувати їх габарити або габарити тепловідвідних радіаторів.
До матеріалів, які мають велику ширину забороненої зони, а також
велику рухливість носіїв заряду можна віднести арсенід галію. Ця
його властивість забезпечує велику максимальну допустиму темпе-
ратуру напівпровідникового приладу, і як наслідок, допустиму
потужність розсіювання. Велика рухливість носіїв заряду забезпе-
чує покрашення частотних властивостей діодшіх і транзисторних
структур напівпровідникових приладів. Найбільшу рухливість
носіїв заряду має антимонід індію. Але оскільки він має малу шири-
ну забороненої зони, то побудовані па його основі, транзистори,
можуть працювати тільки при глибокому охолодженні.
Одним із найважливіших завдань напівпровідникової електро-
ніки є підвищення пробивної напруги випрямного електричного пе-
реходу діода, а також колекторного переходу транзистора і тиристора.
Це можна вирішити тільки при рівномірному розподілу щільності
струму по всій площі елоктронпо-діркового переходу, що знизить
ймовірність виникнення теплового пробою. А тому особливе значен-
ня мають вимоги щодо однорідності напівпровідникового матеріалу,
оскільки будь-які мікронсоднорідності та інші дефекти значно
знижують пробивну напругу слектронно-діркового переходу.
Розвиток електронної техніки супроводжується ускладненням
апаратури, збільшенням числа елементів в установках. Це в свою
чергу висуває підвищені вимоги щодо надійності кожного окремого
112
.елемента установки, що забезпечить її надійну роботу. Вимоги
щодо надійності електронної апаратури викликані тим, що її стали
широко використовувати при екстремальних зовнішніх умовах:
високих і низьких температурах, радіаційному опромінюванні,
наявності сильних електромагнітних полів при дії агресивних
середовищ і мікроорганізмів, а також при великих статичних і
механічних навантаженнях. При цьому не завжди можна викорис-
тати радіаційні та електромагнітні екрани, термостати, механічне
демпфувапня. Використання резервування або дублювання елек-
тронної апаратури недоцільне з економічних і технічних понять.
Підвищення надійності можливе при дотриманні загальної
культури проектування і технології виробництва приладів. Крім
того необхідні ретельні дослідження фізико-хімічнпх процесів у
напівпровідникових матеріалах при одночасній дії високої темпера-
тури та сильних електромагнітних полів, електролітичній і хімічній
корозії, окислення, дифузії домішок, явиш втоми та ін. Тобто, вив-
чивши механізм старіння напівпровідникових матеріалів, їх можна
більш ефективно використовувати для виготовлення напівпровід-
никових приладів.
Вартість напівпровідникових матеріалів значною мірою
залежить від відсотка виходу готових приладів, що в свою чергу
залежить від недостатньої якості напівпровідникового матеріалу і
недостатньої однорідності по кристалу.
Для виготовлення фоточутливих і фотоперетворювальнпх на-
півпровідникових приладів — фоторезистори, фотодіоди і фотоеле-
менти доцільно використовувати напівпровідникові матеріали з
різною шириною забороненої зони. Для безпосереднього перетво-
рення енергії сонячного світла в електричну використовують
кремнієві фотоелементи — сонячні батареї. Коефіцієнт корисної дії
фотоелементів можна збільшити замінивши кремній на матеріал
з більшою шириною забороненої зони (наприклад, арсенід галію).
У фотоперетворювачів на основі арсеніду галію радіаційна стійкість
значно вища ніж у кремнієвих перетворювачів. Прилад на основі
арсеніду галію можна експлуатувати в умовах підвищеної радіації.
При виготовленні фоторезисторів вимоги щодо високого ступе-
ня очищення напівпровідникових матеріалів і досконалості його
структури значно менші. Тому для виготовлення фоторезисторів
використовують селеніди, сульфіди та інші сполуки в аморфному
стані. Це значно знижує вартість напівпровідникових приладів.
Основні вимоги до напівпровідникових матеріалів, з яких виго-
товляються термістори, — це необхідність забезпечити широкий
діапазон номінальних опорів, різний температурний коефіцієнт
опорів, мале розкидання параметрів та Ін. Тому бажано мати мож-
ливість змінювати температурний коефіцієнт питомого опору у ши-
роких межах шляхом зміни співвідношень складових компонентів.
113
Для виготовлення варисторів необхідні матеріали, які мають/ і
хімічну стабільність при високих температурах, бо при їхній робота
практично вся потужність виділяється в малому об’ємі активний
областей під точковими контактами між окремими кристалами аб<£
зернами напівпровідника. Нелінійпість вольт-амперних характери-
стик варисторів може бути суттєво збільшена при збільшені темпе-
ратурного коефіцієнта опорів поверхневих шарів кристалів, з яких
він складається. І
г
І
І
4.3. ПРОСТІ НАПІВПРОВІДНИКИ
Простими називають такі напівпровідники, основний склад
яких створений атомами одного хімічного елемента.
Більшість напівпровідникових матеріалів — це кристалічні
тверді речовини з упорядкованою періодичною структурою.
Кристалічні речовини складаються із елементарних комірок .
Елементарна комірка — найменший об’єм кристалічної речови-
ни у вигляді паралелепіпеда, переміщуючи який вздовж трьох неза-
лежних напрямків, можна отримати кристал.
Проста кубічна елементарна комірка (рис. 4.8) складається з
атомів, що розміщені у вершинах куба. Типовим матеріалом з такою
структурою є хлористий цезій, в ґратках якого послідовно чергу-
ються позитивні іони цезію і негативні іони хлору.
Якщо атоми розміщуються не тільки у вершинах куба, але і в се-
редині кожної грані (рис. 4.9), то матеріал має гранецентровану
кубічну комірку. Типовим матеріалом з такою структурою є хлори-
стий натрій (кухонна сіль) і алюміній.
Більшість напівпровідникових матеріалів після кристалізації
мають ґратки типу алмазу, які є модифікацією гранецентрованих
кубічних ґраток. У ґратках цього типу ребра елементарної комірки
не співпадають з напрямками валентних зв’язків. Одна з граней
кристала з ґратками типу алмазу показана на рис. 4.10.
Рис. 4.8.
Елементарна
комірка
хлористого цезію
Рис. 4.9.
Елементарна
гранецентрована
комірка
Рис. 4.10. Грань кристала
з ґратками типу алмазу
114
Монокрнсталічні речовини мають анізотропність, тобто власти-
вість кристалів змінюватися залежно від напрямків кристалогра-
фічних осей. Тому при використанні моно кристалічних матеріалів
у різних технологічних процесах інколи необхідно задавати
орієнтацію кристалографічних площин.
При виробництві напівпровідникових мікросхем використовують
властивості матеріалу в напрямку визначених кристалографічних
площин, тому різання напівпровідникових зливків виконують по
цих площинах.
4.3.1, Германій Се
У 1870 р. існування германію і його основні властивості були
передбачені Д. 1. Менделєєвим в описанні елемента ека-силіцію. Цс
передбачення підтвердив у 1886 р, німецький хімік К.Вінкерлер,
знайшовши ека-силіцій в мінеральнії! речовині і назвавши його гер-
манієм на честь своєї батьківщини.
У земній корі вміст германію незначний і становить приблизно
0,001%. Германій практично не має своїх руд. Єдина руда германід
містить міді, заліза і цинку значно більше, ніж германію. В мізерних
кількостях (0,01...0,5%) германій міститься в цинкових рудах,
вугільному пилу, золі, сажі і морській воді. Він розсіяний в силіка-
тах, сульфідних матеріалах, а також у мінералах, що являють собою
сульфазолі. В свинцево-цинкових рудах, наприклад, вміст германію
становить приблизно 10 г/т, а в йодно-колчеданових рудах — від
1 до 10 г/т. У мінералах, що рідко зустрічаються, германій може бу-
ти присутнім в значних кількостях; наприклад, аргиродіт з вмістом
германію 5...7%, рен’єріт з вмістом германію до 7% та ін. Значну
кількість германію (до 100 г/т) містять бурі сорти вугілля.
Одержують германій в результаті складного технологічного
процесу Із продуктів згоряння бурого вугілля. Кінцевим продуктом
цього процесу є мопокристалічний германій у вигляді зливків. Тех-
нологічний процес одержання монокристал ічного германію скла-
дається з таких основних процесів:
одержання тетрахлорнду германію і його очищення (тетрахлорид
германію ОеСЦ утворюється в процесі хлорування і соляно кислотної
обробки первинної речовини);
гідролізу тетрахлорнду германію і одержання з нього діоксиду
германію СеО2 (після очищення подальшим окиснеїшям тетрахло-
рид германію переводять у діоксид германію, що являє собою білий
порошок);
відновлення діоксиду германію воднем (діоксид германію
відновлюється в середовищі водню при температурі 650...700°С до
елементарного полікристалічного германію у вигляді порошку сірого
кольору; полі кристалічний порошковий германій одержують також
115
" "1" І МЧ-Л-ЛЧ-'1АА*,| -і "Д -л-^,1 уі І
безпосередньо із тетрахлориду германію СеСЦ методом розкладання
цієї сполуки в атмосфері парів цинку при високій температурі); ,
одержання полікристалічного зливка і його очищення від домі-]
шок зонного плавлення. У полікристалічному германію значний/
вміст домішок, а тому він непридатний для безпосереднього вико}-
ристання у напівпровідниковому виробництві; германій з в ласкою
провідністю повинен містити домішок до 1-Ю19 м-3 (один атом До-
мініки на мільярд атомів германію); завдяки більш низькій порівня-
но з кремнієм температурі плавлення і можливості використання
графітових тиглів технологія очищення простіша, а якість очищен-
ня вища. Полікристалічні!й германій слугує сировиною для одер-
жання монокристалічного германію, а також для одержання сплавів
германію з кремнієм і для виготовлення оптичних деталей (пито-
мий електричний опір полікристалічного германію при температурі
20°С дорівнює р = 0,05 Ом-м);
вирощування із розплавленого полікристалічного германію
зливка монокристала германію; для одержання монокристалічного
германію використовують метод зонного плавлення і витягування з
розплаву (ці методи очищення докладно описані в підрозд. 4.2.2).
Використання монокристалічних зливків германію в технології
виготовлення напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем
пов’язано з великими втратами металу при механічній обробці (різан-
ня зливків на пластини, шліфування і полірування пластин). Тому
широко застосовують епітаксиальні* плівки, які одержують осаджен-
ням монокристалічного германію у вигляді монокристалічних плівок
на підкладки із різних матеріалів (германій, кремній, кварц, сапфір).
Для нанесення епітаксиальних шарів використовують прозору
легкорухому рідину тетрахлорид германію СеСЦ або речовину
жовтого кольору тетраіодит германію. Монокристалічну епітаксії-
альну плівку германію одержують у результаті реакції диспро-
порціонувания**:
2СеІо СеІ4 ~ Се. (31)
При температурі менше 400°С ця реакція протікає переважно
зліва направо, а при більш високих температурах — в зворотному
напрямку.
Для виробництва напівпровідникових приладів використову-
ють германій електронного і діркового типів з визначеним питомим
електричним опором р. Тип провідності і питомий електричний опір
германію визначається кількістю введених у первинний матеріал
домішок. Монокристалічний германій різних марок, легований сур-
мою, миш’яком, галієм і золотом, має питомий електричний опір р
* Орієнтований ріст одного кристала на поверхні іншого (підкладки)
(від грец. ері — на, над, поверх, при, після + іахіз — розміщення).
** Реакція самоокиснення — самовідновлення.
116
від 0,0004 до 45 Ом-м. Легувальні домішки вводять у визначених
кількостях в робочий об’єм розплавленого полікристалічного гер-
манію перед вирощуванням монокристалів.
Германій легують нейтральними, донорними, акцепторними
домішками і домішками, які утворюють глибокі енергетичні рівні.
Нейтральні домішки не змінюють тип електропровідності
напівпровідникового матеріалу і кількість носіїв заряду в ньому.
До нейтральних домішок германію відносять інертні гази, азот і ар-
гон і елементи IV групи Періодичної системи хімічних елементів
Д. І. Менделєєва (кремній, свинець, олово).
Основними акцепторними домішками в германії є елементи III
групи Періодичної системи хімічних елементів Д, І. Менделєєва —
галій, Індій, алюміній.
Донорні рівні в германії утворюють елементи V групи Періодич-
ної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва (миш’як, сурма,
вісмут, фосфор), а також елемент І груші — літій.
Глибокі енергетичні рівні в забороненій зоні германію утворю-
ють багато елементів І, II, VI, VII і VIII груп Періодичної системи
хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Проте розчинність цих еле-
ментів, як правило, значно менша розчинності акцепторів і донорів.
Кристалічний германій — твердий, крихкий матеріал з метале-
вим блиском — відноситься до IV групи Періодичної системи хіміч-
ної системи елементів Д. І. Менделєєва. Кристалізується у вигляді
кубічних ґраток типу алмазу з постійною а = 0,566 Нм. Він має
наступні властивості.
Атомна маса т = 72,59, число атомів в одиниці об’єму становить
4,45-1028 м’3. Ширина забороненої зони при кімнатній температурі
ДІТ = 0,75 еВ, при температурі 300 К ДІИо = 0,67 еВ. Отже, робоча
температура напівпровідникових приладів на основі германію ниж-
ча, ніж напівпровідників на основі кремнію, і не перевищує 80°С.
Концентрація власних носіїв заряду пі = 2,5-1019 М'3. Власний пито-
мий електричний опір р = 0,68 Ом-м. Електропровідність германію
залежить від температури. При низьких температурах (Т<5,4 К) і ви-
сокому тиску (Р > 11 ГПа) германій переходить у надпровідний стан.
Рухомість носіїв заряду слабколегованного германію при кімнатній
температурі порівняно висока і становить ц == 0,39 м2/(В-с) для
електронів і Цр == 0,13 м2/(В-с) для дірок. Це дозволяє використову-
вати його для виготовлення високочастотних діодів і транзисторів.
Густина при кімнатній температурі Л = 5,35 г/см3. Температура
плавлення германію нижча ніж кремнію і становить ТПл = 937°С.
При плавленні густина стрибкоподібно збільшується приблизно на
4,7%, тобто доО = 5,57 г/см3, що пов’язано зі зміною міжатомної
відстані при переході германію із твердого стану в рідкий.
Температура кипіння при тиску 103 Па (760мм рт. ст.) Ткип=2700°С.
Тиск насичених парів при температурі 100°С становить Р = 0,13 Па
117
(10~3 мм рт. ст.), при температурі 1200°С Р = 1,3 Па (10‘2 мм рт. ст.), /
при температурі 1400°С Р = 13 Па (10'1 мм рт. ст.), і при темпера-/
турі 1600°С Р = 133 Па (1,0 мм рт. ст.). !
З різними матеріалами германій реагує по-різному. На повітрі/
кристалічний германій стійкий проти температури 600°С, при тєлр
пературі вище 600°С окислюється до діоксиду германію СеОг: вода
на нього не діє. У соляній НС1, азотній НИОз і в холодній сірчаній
Н28О4 кислотах германій не розчиняється; його активно розчиняє
при кімнатній температурі «царська водка» (суміш соляної і азотної
кислот), розчин пероксиду водню, різні травильники (суміші кис-
лот). У розчинах киплячих лугів КОН і УаОН германій добре роз-
чиняється, а в холодних мало розчиняється; додавання в розчини
лугів пероксиду водню підвищує розчинність германію; у розплав-
лених лугах він швидко розчиняється з утворенням розчинних у
воді германідів. Розплавлений вуглецевий і азотнокислий натрій
швидко розчинює германій з виділенням відповідного газу При
температурі 1000,..1100°С розплавлений германій реагує з воднем з
утворенням летючих речовин тилу СеЬІ4, СеНб та ін. З хлором по-
рошок германію взаємодіє при кімнатній температурі, а гранульо-
ваний германій — при температурі 180°С; при слабкому нагріванні
германій реагує з бромом; сірководень при температурі нижче
200°С не взаємодіє з германієм. Тільки при більш високих темпера-
турах, коли починається дисоціація сірководню, германій активно
реагує з сіркою з утворенням моносульфіду.
Германій взаємодіє з сірчаним газом 8О2 при температурі 500°С
з утворенням діоксиду і дисульфіду германію.
Германій не розчиняє вуглець навіть при дуже високих темпера- -
турах. При температурі плавлення розчинність вуглецю в германії
становить приблизно 108 см’3.
Навіть при нагріванні до температури 1500°С германій не
взаємодіє з кварцем, тому в напівпровідниковому виробництві ши-
роко використовують графіт і кварц для виготовлення різно-
манітної технологічної тари.
Для видимого світла германій не прозорий, для інфрачервоних
променів відносно прозорий при довжині хвилі понад 1,8 мкм.
Монокристал ічний германій для напівпровідникових приладів і
епітаксіальних структур випускається у вигляді зливків діаметром
25...35 мм. Маркування германію ГЕС-3 розшифровується так: Г —
германій; Д або Е — тип провідності (дірковий, електронний); третя
буква означає легувальну домішку (С — сурма, 3 — золото, Г — галій);
цифра, що стоїть після букв, вказує питомий електричний опір.
Основними сполуками германію є монооксид, діоксид і тетра-
хлорпд германію.
Монооксид германію СеО — не нестійка двовалентна сполука з
аморфною структурою. Утворюється в процесі відновлення діоксиду
118
германію або в результаті диспропорціонування. У деяких випадках він
утворюється в розчинах. Монооксид германію має такі властивості:
густина £> = 4,4 г/см3;
при нагріванні на повітрі, починаючи з температури 600°С,
оксид дис про порі [іону є на елементарний германій та його діоксид;
у воді не розчиняється;
в сірчаній і соляній кислотах розчиняється повільно.
Діоксид германію СеОг — аморфна, кристалічна речовина або
суміш аморфної і гексагональної модифікацій. Аморфну (склопо-
дібну) модифікацію з густиною Л = 3,66 г/см3 одержують швидким
охолодженням розплавленого діоксиду германію. У присутності
каталізатора склоподібна модифікація переходить при нагріванні
до температури 1000°С в кристалічну тетрагональну з густиною
В == 3,27 г/см3, яка при температурі 1035°С перетворюється в гекса-
гональну з густиною Л = 4,28 г/см3.
Діоксид германію має такі властивості:
густина рідкого діоксиду германію при температурі 1200°С
становить Л - 3,39 г/см3, а при температурі 1400°С Л = 3,29 г/см3;
швидкість випаровування при температурі 1200°С становить
2-Ю'9 мол/(с*см2), а при температурі 1500°С — 7-Ю'2 мол/(с-см2);
розчинність у воді залежить від модифікації і температури
(розчинність у воді слугує перепоною для використання діоксиду
германію як захисної плівки, а германію — для виробництва інтег-
ральних мікросхем за планарною технологією);
розчиняється в соляній і сірчаній кислотах, а також лугах.
Діоксид германію — порошок білого кольору використовують
для одержання полікристалічного і монокристалічного германію.
Вміст домішок (алюмінію, заліза, кремнію, магнію, миш’яку) не
перевищує 10'5%, хлору — 0,3%, вологи — 4%.
4.3.2. Кремній §і
Кремній є елементом IV групи Періодичної системи хімічних
елементів Д. І. Менделєєва. Після кисню це найбільш поширений
елемент — він становить приблизно 1/4 маси земної кори. Проте у
вільному стані в природі він не зустрічається, його сполуками є такі
природні матеріали, як кремнезем і силікати. Пісок і глина, що утво-
рюють мінеральну частину ґрунту, — також сполуки кремнію.
Із сполук кремній одержують декількома способами. Частіш за
все використовують метод відновлення чотирпхлористого кремнію
8ІСІД парами цинку або водню:
8ІСІ4 + 27п Зі + 22пСІ2. (32)
Реакція проходить при температурі 950°С.
119
Зливки у вигляді стержнів великого діаметра (до (1 = 100 мм)
використовують для мірних завантажень у тиглі при вирощуванні
монокристалічного кремнію за методом Чохральського. Зливки
діаметром до (і = 40 мм використовують як заготовки для безтигель-
ного зонного плавлення.
Одержаний полікристалічний кремній містить 1...5% домішок.
Такий кремній не придатний для використання в напівпровіднико-
вому виробництві, тому він підлягає додатковому очищенню.
У технологічному відношенні кремній більш складний матеріал,
ніж германій, оскільки він має високу температуру плавлення 1414’0
і в розплавленому стані хімічно активний (вступає в реакцію зі всіма
матеріалами, з яких виготовляють тиглі). У зв’язку з цим очищення
кремнію ведуть зонним плавленням у вакуумі без використання тиглів.
Суть методу полягає в тому, що більшість домішок, що мі-
стяться в кремнії (за виключенням бору) краще розчиняються в
рідкому кремнії, ніж у твердому. Тому при повільному остиганні
розплавленого кремнію домішки,
розплаві.
Якщо плавити окрему зону
кремнієвого зливка І пересувати її
вздовж зливка, то домішки разом з
розплавленою зоною будуть пе-
реміщуватися в його кінець. Якщо
цю операцію повторити декілька
разів, то одержують полікристаліч-
ний кремній із заданим ступенем
очищення І ПИТОМОЮ провідністю,
близькою до власної.
Зливок кремнію, що містить
надлишкову кількість домішок,
закріплюють вертикально в три-
мачах, встановлених у верхніх і
нижніх частинах кварцевої трубки
(рис. 4.11). За допомогою високо-
частотного індуктора створюють
розплавлену зону, нагріванням
нижньої частини зливка. При по-
вільному переміщенні індуктора
вздовж зливка знизу вверх пере-
міщується розплавлена зона, яка
поступово насичується домішками.
Домішки концентруються у верх-
ній частині зливка, Цю забруднену
частину зливка обрізають і від-
правляють на переплавлення.
в основному, залишаються в
Рис. 4.11. Схема установки
для зонного плавлення
напівпровідникових зливків:
1 — держак; 2 — зливок напівпровід-
никового матеріалу; 3 — розплавлена
зона; 4 — високочастотний індуктор;
5 — кварцева трубка
120
Напрямок
витягуваная
Після 15...20 проходів одержують кремній з вмістом домі-
шок менше 1020 атомів на 1 м3 та питомим електричним опором
р = 20...30 Ом-м.
Для очищення кремнію від бору зонне плавлення проводять у
середовищі водню, яке містить пари ВОД [І, що дозволяє знизити
вміст домішок та довести питомий електричний опір р кремнію до
1,6-102 Ом-м.
Очищений полікристалічний кремній використовують як пер-
винну сировину для одержання монокристал ічного кремнію і епітак-
сильних шарів кремнію, а також для виготовлення сонячних батарей.
Кремній отримують також методом термічного розкладання те-
трайодиду кремнію 8і)4, силану 8іН4 та інших кремнійвміщуючих
матеріалів.
Для одержання об’ємного монокристалічного кремнію викорис-
товують методи: безтигельного зонного плавлення, витягування з
розплаву (метод Чохральського) та гарнісажіюго плавлення.
Метод безтигельного зонного
плавлення. Очищений полікристаліч-
ний зливок діаметром 40 мм закріп-
люють в кварцевій трубі та створюють
початкову розплавлену зону (рис. 4.11),
в якій розміщують затравку у вигляді
шматочка монокрпсталічного кремнію.
При підніманні індуктора розплавле-
на зона, сплавл гаючись з затравкою,
повторює її кристалічну структуру. В
результаті одержують монокристал Ічні
зливки кремнію діаметром до 100 мм,
орієнтовані в напрямках [111] і [100]
з питомим електричним опором
р = 0,001...ЗО Ом-м.
Метод витягування з розплаву
(метод Чохральського). Для одер-
жання монокрпсталічного кремнію за
методом Чохральського очищений і
знегазований полікристалічний крем-
ній розплавляють в тиглі з особливо
чистого кварцу у високовакуумиій
печі (рис. 4.12). За допомогою штока
у розплав вводять монокристал ічну
затравку, орієнтовану в потрібному
кристалографічному напрямку від-
носно поверхні розплаву. Після оплав-
лення затравку повільно піднімають,
одночасно обертаючи, що сприяє
Рис. 4.12. Схема установки для
вирощування монокристалів
напівпровідників із розплаву
за методом Чохральського:
1 — затравка; 2 — монокристал;
З — високочастотний редуктор;
4 — розплав; 5 —- тигель із плав-
леного кварцу; 6 — графітова
оболонка(нагрівач)
121
перемішуванню розплаву і вирівнюванню температури в ньому. При
переміщуванні затравка тягне за собою стовпчик розплаву, який
утримується силами поверхневого натягу. Піднімаючись, стовпчик
розплаву охолоджується і кристалізується з орієнтацією затравки.
В результаті вирощують монокристал Ічні зливки діаметром до
150 мм, орієнтовані в напрямках [111], [110], [100], з питомим еле-
ктричним опором р = 5-Ю-5...0,5 Ом-м.
Гарнісажний метод Чохральського. При використанні цього
методу розплавлену зону створюють за допомогою електронно-
променевого нагрівання в глибокому вакуумі. В результаті отри-
мують зливки із великою однорідністю та малим вмістом кисню
(менше 5-Ю11 атомів на 1 м3). Проте такий кремній має велику
щільність дислокацій [(3...5)-108 м~2].
При використанні монокристалічного кремнію у напівпровід-
никовому виробництві мають місце великі втрати цього матеріалу.
Це пов’язано з тим, що основою роботи більшості напівпровіднико-
вих приладів є процеси, що виникають в дуже вузьких межових або
поверхневих шарах напівпровідника. Решта об’єму монокристалу є
паразитною частиною і найчастіше погіршує параметри приладу.
Більша частина матеріалу втрачається при механічній обробці
зливків (різання на пластини, шліфування, полірування та ін.).
Для зменшення цих втрат у напівпровідниковому виробництві
використовують кремній у вигляді монокристалічних тонких шарів,
які осаджують на об’ємні монокристали, їх називають підкладками.
Такі монокристалічні шари, що зберігають кристалографічну
орієнтацію підкладки, називають епітаксійиими. Як матеріал для
підкладок використовують монокристали кремнію, сапфіру, корун-
ду та ін.
Епітаксійні шари монокристалічного кремнію одержують у ре-
зультаті реакції відновлення тетрахлориду кремнію воднем за
реакцією:
8іС14 + 2Н2 <=> 4НС1.
(33)
У напрямку зліва направо ця реакція протікає при високій тем-
пературі (приблизно 11ОО...12ОО°С).
Такі епітаксійні шари використовують у масовому виробництві
напівпровідникових приладів, для виготовлення яких використо-
ву ють пленарну техн ол огі ю.
У напівпровідниковому виробництві чистий монокристалічний
кремній використовують рідко. Найчастіше для напівпровідникових
приладів використовують кремній з до мішковою електропровід-
ністю. Для цього у кремній вводять чітко контрольовану кількість
необхідної домішки.
Залежно від характеру впливу на тип електропровідності
домішки поділяють на нейтральні, донорні, акцепторні і ті, що утво-
рюють у забороненій зоні кремнію глибокі енергетичні рівні.
122
До нейтральних домішок кремнію відносять водень, азот,
інертні гази, а також елементи IV групи Періодичної системи
хімічних елементів Д. І. Менделєєва (германій, олово, свинець).
Основними дон орними домішками є елементи V групи
Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва (фосфор,
миш’як, сурма, вісмут).
У якості акцепторних домішок для кремнію в основно-
му використовують елементи III групи Періодичної системи
хімічних елементі Д. І. Менделєєва (бор, алюміній).
Елементи І, II, VI, VII груп утворюють у забороненій зоні кремнію
глибокі енергетичні рівні і можуть бути донорними і акцепторними.
Такими домішками частіш за все слугують золото і цинк. При легуван-
ні золотом у кремнії утворюються додаткові центри рекомбінації
носіїв заряду, що зменшує час життя нерівноважних носіїв заряду.
Легування кремнію виконують у процесі одержання об’ємних
монокристалів і епітаксійних плівок.
При використанні безтигельного зонного плавлення легуюча
домішка надходить з воднем, який подається в кварцову трубу разом
з летючими парами домішки. Кремній л-тшгу одержують, викорис-
товуючи трихлорпетий фосфор і миш’як або п’ятихлористу сурму.
Для одержання кремнію р-типу частіш за все використовують три-
бромистий бор. При використанні твердої легуючої домішки (на-
приклад, алюмінію) її силавлюють з одним кінцем зливка кремнію і
розподіляють по всьому об’єму переміщенням розплавленої зони.
При використанні для вирощування монокристалів методу
Чохральського розрахункову кількість необхідної домішки вводять
безпосередньо в розплав; у процесі витягування монокристалу
відбувається його легування.
Легування епітаксійних шарів здійснюється із газової фази од-
ночасно з їх вирощуванням.
Легувальні домішки вводять також за допомогою методів ди-
фузії, які розглядаються в розділі 7.
Монокристалічний кремній маркують залежно від методу одер-
жання. При цьому вказуються група, підгрупа, додатковий пара-
метр якості, тип електропровідності, вид легувальної домішки,
номінал питомого електричного опору, дифузійна довжина не-
основних носіїв заряду, діаметр зливка.
Кристалічний кремній — темно-сіра тверда і крихка речовина з
металевим блиском, хімічно інертна. Як і германій, він крис-
талізується в складні кубічні просторові ґратки типу алмазу, в яких
всі атоми розміщені на однаковій відстані один від одного з
постійною Граток а = 0,542 Нм, На зовнішній валентній оболонці
атому кремнію розміщені чотири електрони. Кремній має такі вла-
стивості: атомна маса т = 28,08; число атомів кремнію в одиниці
об’єму 5-Ю28 в 1 м3.
123
Основний параметр напівпровідникових приладів — ширина за-
бороненої зони при температурі 20°С А\У = 1,12 еВ. Це дозволяє
створювати кремнієві напівпровідникові прилади з відносно висо-
кою робочою температурою (до 125°С). Верхня температурна гра-
ниця роботи кремнієвих приладів досягає 200°С.
Концентрація власних носіїв заряду при кімнатній температурі
щ == 3-Ю16 М'3. Питомий електричний опір р з власного електро-
провідністю р » 2,3-103 Омм різко зменшується при збільшенні
концентрації домішок. При низьких температурах (Т < 6,7 К) і ви-
сокому тиску (Р > 12 ГПа) кремній переходить у надпровідний стан,
тобто питомий електричний опір р кремнію зменшується до нуля.
Рухомість носіїв заряду ц в слабколегованому кремнії дорівнює
0,145 м2/(В-с) для електронів і 0,045 м2/(В-с) для дірок. Порівняно
невисока рухомість носіїв заряду практично не відображається на
параметрах мікросхем, оскільки їх частотні властивості визнача-
ються в основному такими технологічними параметрами, як
розміри і форма р — п-персходів, вид легувальних домішок, дефек-
ти кристалічної структури та ін.
Густина твердого кремнію при кімнатній температурі 77 = 2320
кг/м3, а рідкого при температурі плавлення 77 = 2530 кг/м3.
Температура плавлення Тпл - 1414°С. Температура кипіння при
тиску 760 мм рт. ст. Ткип = 2477°С.
Тиск насичених парів залежить від температури: при темпера-
турі 1225°С тиск насичених парів Р = 0,13 Па; при температурі
1343°С Р = 1,3 Па; при температурі 1465°С Р - 13 Па; при темпера-
турі 1670°С Р = 133 Па; при температурі 1890°С Р = 1,3-Ю3 Па; при
температурі 2083°С Р = 1,3-Ю4 Па.
Взаємодія кремнію з іншими матеріалами залежить від темпера-
тури. Кристалічний кремній при низьких температурах хімічно
інертний, при кімнатній температурі він хімічно стійкий. При
нагріванні до температури 200„.700°С він з’єднується з галогенами,
утворюючи галогеніди кремнію (8ІСЦ, 8Ц4, ЗіВгд, 8ІГ4 та ін.).
На повітрі при нагріванні до температури 900°С кремній”
стійкий, вище температури 900°С він інтенсивно окпснюється з
утворенням діоксиду кремнію. При температурі 1Ю0...1300°С
кремній взаємодіє з азотом, утворюючи нітрид кремнію 8ізШ, і•
взаємодіє з вуглецем, утворюючи карбід кремнію 8іС.
При дуже високих температура (понад 2000°С) кремній
взаємодіє з воднем, утворюючи силани із загальною формулою
5І2пН2п+2.
Розплавлений кремній має високу хімічну активність, що ство-
рює проблеми при виборі матеріалів для виготовлення тиглів,
оскільки найбільш чисті матеріали кварц і графіт при високих
температурах взаємодіють з кремнієм. Кремній добре розчиняється
у багатьох розплавлених металах; у воді не розчиняється.
124
Не реагує з багатьма кислотами в будь-якій концентрації, проте
добре розчиняється в суміші плавикової та азотної кислот; менш
інтенсивно розчинюється в азотній кислоті з невеликими добавка-
ми брому або перекису водню.
Добре розчиняється в киплячих лугах, процес розчинення при-
скорюють домішки пероксиду водню до киплячого водного розчину
лугів; ще інтенсивніше кремній розчиняється в розплавлених лугах.
Кремній непрозорий для видимого світла, але для інфрачерво-
них променів з довжиною хвилі понад 1,2 мкм чистий кремній стає
прозорим. Присутність домішок збільшує коефіцієнт поглинання
електромагнітного випромінювання.
Кремній використовують для виготовлення діодів, транзисторів,
тиристорів, стабілітронів, фотодіодів, датчиків Холла, тензометрів.
Основними з’єднаннями, які використовують у напівпровідниковому
виробництві для одержання полі кристалічного і монокристал і чного
кремнію, є монооксид кремнію, діоксид кремнію, нітрид кремнію,
тетрахлорид кремнію, трихлорсилан і моносилан.
Монооксид к р е м н і ю 8іО у вільному стані в природі не
зустрічається. Його можна одержати відновленням діоксиду крем-
нію при температурі 1350°С або вуглецем при температурі 1500°С.
Монооксид кремнію має такі властивості:
густина £) = 2,1 г/см3;
при кімнатній температурі є аморфною речовиною у вигляді
порошку, гранул або спечених шматочків від бежевого до чорного
кольорів;
при температурі 1250°С і у вакуумі при Р = 0,13 Па випаровується;
при високих температурах не проводить електричний струм, то-
му його використовують для ізоляційних покриттів, діелектричних
і просвітлю вальних плівок.
Випускають монооксид кремнію двох категорій. Монооксид пер-
шої категорії застосовують для напилювання діелектричних плівок,
шарів плівкових конденсаторів, а також для ізоляційних покриттів
інтегральних мікросхем. Монооксид другої категорії використовують
для утворення захисних шарів на напівпровідникових кристалах.
Плівки монооксиду кремнію мають товщину від 0,3 до 3 мкм; ді-
електрична міцність є дорівнює 6; електрична міцність Е — 1-Ю6 В/см;
тангенс кута діелектричних втрат при температурі 20°С 1§б — 0,02.
Діоксид кремнію 8ІО2 — кварцеве скло, яке за зовніш-
нім виглядом мало відрізняється від звичайного скла. Він має такі
властивості:
високу температуру плавлення Тпл == 1723°С;
низький коефіцієнт термічного розширення (при температурі
ТКР = 5-Ю-71/°С, а при 1200°С - ТКР - 1,140-8 і/°С;
теплопровідність при температурі 20°С дорівнює 1,3 Вт/(м-К); а
при температурі 1200°С — 2,2 Вт/(м-К);
125
високу хімічну стійкість проти багатьох кислот;
взаємодіє з плавиковою кислотою з утворенням кремнієвої
кислоти;
розчинність при температурі 20°С у соляній кислоті становить
0,18 г/(см2-год), а в сірчаній — 0,016 г/(см2-год);
більш інтенсивно реагує з лугами: в 1%-му розчині їдкого натру
ИаОН при температурі 100°С розчинність становить 15,2
г/(см2-год); в їдкому калію КОН — 4,632 г/(см2тод); в 10%-му роз-
чині хлористого натрію при температурі 100°С — 0,34 г/(см2-год);
реагує з розплавленими металами (літієм, натрієм, магнієм,
алюмінієм, лантаном, церієм, кремнієм, і марганцем;
при високих температурах взаємодіє з твердими елементами
(титаном, залізом, танталом, вольфрамом, бором), а також з газо-
подібним фтором;
проникний для газів, тому не використовується для утворення
м еталос кля н и х с паї в;
гігроскопічний, тому використовується для виготовлення адсор-
бентів.
У напівпровідниковому виробництві діоксид кремнію викорис-
товують у ВИГЛЯДІ тонких плівок, що одержують на поверхні
кремнієвих пластин у результаті термічного окпснення. До таких
плівок ставляться наступні вимоги:
захист поверхні кремнію від дії технологічних середовищ
(повітря, різних газів, вологи та ін.); і
«маска» для захисту від проникнення легувальиих домішок в
процесі дифузії та епітаксії;
достатня електрична міцність;
високий питомий електричний опір р;
мала діелектрична проникність (для структур « метал-діелект-
рик-провідник» висока діелектрична проникність);
технологічність, тобто суміщення процесів одержання плівки і
виготовлення інтегральних мікросхем.
Цим вимогам відповідають плівки діоксиду кремнію, тому у ви-
робництві інтегральних мікросхем використовують тільки кремній.
Властивість діоксиду кремнію взаємодіяти з розплавленим мета-
лом (наприклад, з алюмінієм), а при високих температурах з твер-
дими елементами (титаном, бором) дозволяє напилювати плівки
металів безпосередньо на діоксид кремнію.
Завдяки високій температурі плавлення і низькій хімічній
активності діоксид кремнію використовують для виготовлення
хімічного посуду, тиглів, труб, касет.
Нітрид кремнію 8ізї^4 — єдина стійка сполука з азотом.
Широко застосовується в мікроелектроніці як захисна плівка, що
має такі властивості: високі електрофізичні показники (питомий
електричний опір р == 10й... 1012 Ом-м, виключну хімічну стійкість,
126
розкладається в розплавлених лугах, взаємодіє з гарячою плавико-
вою кислотою, має більшу міцність і маскувальну здатність щодо
дефундувальпих домішок порівняно з плівками діоксиду кремнію.
Те т р а х л о р и д кремнію 8ІСІ4 при кімнатній температурі
являє собою безбарвну прозору рідину, яка має такі властивості:
густина Б = 1,48 г/см3; температура затвердівання Тзат =а -68°С; тем-
пература кипіння Ткші = 57°С; при взаємодії з водою і у вологому
повітрі розкладається на хлористий водень та силікагель*; добре
змішується з органічними речовинами: ефіром, хлороформом, бензо-
лом і бензином.
Одержують тстрахлорид кремнію хлоруванням технічного
кремнію при температурі 25О...6ОО°С або одного із його сплавів —
феросиліцію, що містить 60...90% кремнію.
Трихлорсилам ЗіНСІз при кімнатній температурі — це
безбарвна прозора рідина, що має такі властивості: густина І) - 1,35
г/см3; температура затвердіння 7УТГ = -127°С; температура кипіння
Ткпп = 31,8°С; горючий; при певному об’ємному співвідношенні па-
ри утворюють з киснем повітря гримучу суміш; під дією вологи лег-
ко розкладається на хлористий водень і поліс плоксани.
Одержують трихлорсилан обробкою подрібненого технічного
кремнію сухим хлористим воднем при температурі 300...400°С або від-
новленням тетрахлорнду кремнію воднем при температурі 6ОО...7ОО°С.
М о н о с и л а н 8ІН4 — при кімнатній температурі це безбарв-
ний газ, який має такі властивості:
при температурі 111,9°С переходить у рідкий, а при температурі
185°С — у твердий стан;
густина у рідкому стані В дорівнює 0,68 г/см3;
енергійно окпснюється киснем повітря навіть при температурі,
близькій до температури затвердіння;
енергійно взаємодіє з галогенами або галоїдами важких металів;
не взаємодіє з хлорним воднем навіть при високих температурах.
Одержують за методом розкладання силіцидів металів II та III
груп Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва
мінеральною кислотою.
4.3.3. Селен 8е
Селен — елемент IV групи Періодичної системи хімічних елемен-
ті в Д. І. Менделєєва, який став одним з перших напівпровідникових
матеріалів. У земній корі зустрічається повсюди, але в невеликих
концентраціях. Його вміст у земній корі дорівнює 640'5% (за масою)
*Пориста біла маса, за складом діоксид кремнію, добрий сорбент. Ви-
користовують для сушіння та очищення газів, масел, нафтопродуктів та ін.
(від латин, зііех (я/іхії) — кремній).
127
і приблизно дорівнює вмісту в пій сурми, кадмію, срібла. Власних -
руд промислового типу мінерали селену не утворюють, тому його
відносять до рідкісних розсіяних елементів. Селен — складовий еле-
мент сульфідних руд важких кольорових металів, які переважно
одержують з анодних шлаків мідних і нікелевих електролітичних
виробництв.
Існує декілька різновидів селену різних кольорів аморфної та
кристалічної будови. При нагріванні всі алотропічні форми пере-
творюються в гексагональну кристалічну модифікацію. Атомна
маса т = 78,96; температура плавлення Тпл = 220°С; температура
кипіння 7кпп = 685°С; за хімічними властивостями близький до
сірки, але менш активний.
При кімнатній температурі не взаємодіє з киснем повітря, а при
нагріванні на повітрі згоряє з утворенням діоксиду селену; крис-
талічний селен не взаємодіє з водою навіть при температурі 150°С,
а аморфний при температурі 100°С повільно окислюється з утво-
ренням селенової кислоти.
При температурі 200°С реагує з воднем, з утворенням селенис-
того водню, з киснем утворює низку сполук (8еО, 8еО2, 8еОз,) а
з галогенами — декілька сполук типу $еСІ4.
Соляна І розбавлена сірчана кислоти на селен не діють; азотна
кислота окислює селен до діоксиду селену; розчинюється в лугах з
утворенням солей; утворює сполуки з сіркою, азотом та Іншими
металами.
Сполуки з металами II групи Періодичної системи хімічних
елементів Д. І. Менделєєва мають напівпровідникові властивості і
входять до групи напівпровідникових сполук АПВІУ.
Залежно від способу одержання та режиму проведення процесу
(температури, тиску, швидкості охолодження розплаву та ін.) селен
може існувати в склоподібній, аморфній, моноклінній і гексаго-
нальній алотропічній формах. Властивості цих модифікацій значно
відрізняються одна від одної.
С к л о п о д і б п и й селен одержують у вигляді пластинок, дро-
бинок або тонких плівок. Якщо розплав селену при температурі вище
точки плавлення швидко охолодити методом впливання його на охо-
лоджувану водою металеву пластину або безпосередньо в холодну
воду, то одержують селен у вигляді пластинок або дрібних дробинок.
При конденсаціє! парів селену у вакуумі, одержують тонкі
плівки, які мають густину приблизно В = 4,3 г/см3 і чорний колір.
Склоподібний селен застосовують у ксерографії*, використову-
ючи його властивість фотопровідності.
*Спосіб фотографічного відтворювання зображення, заснований на
перетворенні променевої енергії в електричну, це також електрографія
(від. грец. ХЄГ08 — сухий).
128
ї ІК<>л<#<^і.Д.=*хїЯі-ЛА=-г л-:\^-<>;<^^-^Х\х^-<х^<:л</\;л:чг-<:р^><ґ.<>;>--<>>^:'Л>^^
А м о р ф н п її селен має різне забарвлення, яке залежить від
ступеня дисперсності колоїдних частин, які випадають з розбавле-
ного розчину солей селену (селєнидів) при додаванні відновників.
Селен, одержаний при відновленні розчинів селєнидів при темпе-
ратурах нижче 70°С, має аморфну модифікацію червоного кольору
з густиною В = 4,45 г/м3
М о н о к л і н н и й селен одержують обробкою тонкоподрібнено-
го селену сірководнем. Із утворюваного насиченого розчину темно-
оранжевого кольору повільним випаровуванням одержують кристали
селену моноклінної структури з густиною приблизно Р == 4,5 г/см3.
Гексагона л ь н и й селен часто називають у-селеном. Це най-
більш стійка модифікація, яка отримала назву сірого селену — типо-
вого напівпровідникового матеріалу з дірковим типом провідності.
Його структура має вигляд зигзагоподібних гвинтових ланцюгів.
Густина твердого сірого селену Р дорівнює 4,81 г/см3, рідкого Р —
4,06 г/см3.
На відміну від інших напівпровідникових матеріалів цей селен
має аномальну температуру залежності концентрації вільних носіїв
заряду: із зростанням температури концентрація вільних носіїв
заряду зменшується, при цьому їх рухомість зростає.
При плавленні об’єм селену збільшується приблизно на 15%,
ширина забороненої зони ЛІГ = 1,8 еВ, рухомість дірок при
кімнатній температурі дуже мала і дорівнює 1 см2/(В-с).
Чистий селен за питомим електричним опором близький до
ізоляторів (р = 1012Ом-см); електричний опір залежить від способу
одержання, характеру структури, типу і кількості домішок; знижен-
ня питомого електричного опору досягається завдяки введенню
акцеиторної домішки — хлору, бору, йоду.
Температурний інтервал роботи селенових випрямлячів від -60
до +75°С. Вміст не контрольованих домішок селену, придатного для
виготовлення випрямлячів, може становити ДО 8-10'3%.
Сірий селен одержують нагріванням будь-якої алотропічної
модифікації до температури 180...200°С, близької до температури
плавлення. Кристал о хімічні особливості сірого селену зумовлюють
значну анізотропію його механічних, електричних і теплових вла-
стивостей. Наприклад, провідність і рухомість носіїв заряду селену
залежно від напрямку відносно кристалографічних осей змінюється
в 5 разів.
У напівпровідниковому виробництві використовують техніч-
ний селен, який одержують сульфатним або содовим методом. Він
містить селену від 97,5 до 99%; заліза 2-10‘2%; міді і свинцю 5-Ю-2 %;
миш’яку 0,5%; сірки 0,05%; телуру 5-Ю'2 %.
Значний вміст домішок у технічному селені не дозволяє вико-
ристовувати його безпосередньо для виготовлення напівпровідни-
кових приладів; він слугує первинною сировиною для виробництва
5 «Еі ектромате ріада н авство »
чистих марок селену. Для попереднього очищення і відділення се-
лену від телуру використовують хімічні методи, а для остаточного
очищення — фізичні методи (вакуумна дистиляція*, зонне плав-
лення та ін.).
Промисловість випускає селен марок СЧ-1 і СЧ-2, що містять
відповідно 99,998 і 99,992% селену з питомою електричною
провідністю у « 10’10 См/м. Для синтезу напівпровідникових
з’єднань використовують особливо чистий селен ОСЧ-А з вмістом
домішок 10'5...10'6 %, які одержують ректифікацією** селену СЧ-1.
Монокристали селену одержують осадженням із парової фази
або вирощуванням з розплаву.
Тонкі плівки одержують нанесенням селену на металеві підклад-
ки (сталеві або алюмінієві) вакуумним випаровуванням. Після на-
несення плівки піддають термообробці при температурі 16О...22О°С
протягом 1,5 год. Товщина таких плівок — від 50 до 100 мкм.
Селен використовують для виготовлення резисторів і фото-
елементів, оскільки спектральні характеристики селенових фото-
електричних приладів майже повністю співпадають зі спектральною
характеристикою ока. Використання селену для виготовлення
фільтрів І захисних покриттів у приладах інфрачервоного діапазо-
ну пов’язано з тим, що він майже прозорий в інфрачервоному
спектрі.
4.3.4. Телур Те
Телур — елемент VI групи Періодичної системи хімічних елемен-
тів Д. І. Менделєєва. Вперше був виділений у 1782 р. із телуриду
золота. В земній корі міститься близько 10“7%. В основному він вхо-
дить як Домініка до сірчаних мінералів міді, ртуті й срібла. Само-
стійні мінерали телуру зустрічаються рідко (наприклад, ВігТез,
ВІ2ТЄ28, РЬТе, А§зТе, Н§Те, А^АиТе). Основною сировиною для
одержання телуру є відходи переробки сульфідних руд міді та
свинцю, а також ділами, що утворюються при електролітичному
отриманні міді.
Полікристалічний зливок телуру одержують при повільному
охолодженні розплавленого телуру у відкритому тиглі. Із такого
зливку вирізають декілька монокристалів. Очищення телуру від
домішок виконують багаторазовою перегонкою.
* Розділення рідких сумішей на фракції, що відрізняються за складом,
засноване на різницях температур кипіння компонентів суміші (перегон-
ка) (від латин, сіїзіїїіаііо — стікання краплями).
♦♦Очищення рідини перегонкою (дистиляцією) в ректифікаційних
колонках (від. латин. гесІЇ/ісаге — виправляти).
130
Телур має такі властивості: ширина забороненої зони А17= 0,35 еВ;
температура плавлення Гпл “ 451 °С; температура кипіння при атмо-
сферному тиску Ткип = 500°С; тиск парів при температурі 500°С
становить Р = 67 Па; легко випаровується; питомий електричний
опір чистого телуру при кімнатній температурі р = 29- Ю-4 Ом-м;
концентрація вільних носіїв заряду щ = 9,3-1021 м‘3; рухомість
електронів Ци = 18 м2/(В-с), дірок = 0,12 м2/(В-с).
За звичайних умов, телур є напівпровідниковим матеріалом,
відомий в двох алотропних формах: аморфній і кристалічній гекса-
гональній. В аморфній формі — це порошок темно-коричневого
кольору, а в кристалічній гексагональній — це дуже крихкі зразки з
сріблясто-білим металевим блиском. Широко відома тільки крис-
талічна, більш стійка модифікація телуру.
У хімічному відношенні телур аналогічний селену та сірці. Всту-
пає в сполуки з киснем (ТеО, ТсО2, ТеОз), воднем (ІЬТе), сіркою
(ТеЗз), фосфором (ТезРг). При нагріванні або сплавленні з багать-
ма металами утворює телуриди. Телур розчинюється в сірчаній і
азотній кислотах, лугах, ціаністому калію. Сполуки телуру отруйні!
У інфрачервоній частині спектру 4,..30 мкм телур оптично про-
зорий але його коефіцієнт пропускання невисокий і не перевершує
15...20%. Його використовують при виробництві свинцевих кабелів,
як добавку до свинцю з метою підвищення його твердості, еластич-
ності і хімічної стійкості.
У радіоелектроніці телур використовують у вигляді сполук з
кадмієм, свинцем, ртуттю для виготовлення фотокатодів, фото-
приймачів з внутрішнім фотоефектом; а в сполуках з селеном,
вісмутом і сурмою — для виготовлення високоефективних термо-
електронних матеріалів для термоелектричних генераторів.
Технічний телур використовують у вигляді сплавів з вісмутом,
сурмою та свинцем для виготовлення термоелектричних генераторів.
4.4. НАПІВПРОВІДНИКОВІ СПОЛУКИ
Прості напівпровідники не завжди відповідають вимогам сучас-
ного виробництва напівпровідникових приладів. Для створення ма-
теріалів з різними властивостями широко використовують складні
неорганічні та органічні напівпровідникові сполуки.
Структура складних напівпровідників утворена атомами різних
хімічних елементів. До цієї групи відносять тверді розчини і хімічні
сполуки типу А'" Ву, де верхні індекси т і ?? означають номер групи
Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, а нижні
д- і у — число атомів цього елемента в сполуці.
Найбільш широко використовуються неорганічні кристалічні
напівпровідники.
5*
131
4.4.1. Складні напівпровідники типу АІУВЇУ 1
Єдиною подвійною сполукою елементів IV групи Періодичної
системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва в твердій фазі є
сполука кремнію з вуглецем — карбід кремнію 8іС.
Карбід'кремнію в природі зустрічається дуже рідко в обмеже-
них кількостях. І
Полікристалічний карбід кремнію одержують в електричних
печах відновленням діоксиду кремнію вуглецю за рівнянням: ?
8іО2 + ЗС = 8іС + 2СО. (34) і
Полікристалічний карбід кремнію використовують для виро- і
щування монокристалів та одержання порошку 8іС в процесі ;
подрібнення. і
Карбід кремнію існує в двох модифікаціях: кубічній р-8іС і гек- :
сагональній а-8іС. Низькотемпературна кубічна модифікація |3-8іС ;
з густиною £) = 3,1 г/см3 стійка проти температур 2ООО...21ОО°С.
Високотемпературна гексагональна модифікація а-5іС з густиною ;
О = 3,2 г/см3 утворюється при високих температурах і має велику
кількість різновидів, які називають політиками. Всі політипи мають і
постійну ґраток а = 0,3078 Нм, але відрізняються розміщенням ато-
мів кремнію в кристалічних ґратах і їх чергуванням. У капів провід- ;
никовому виробництві використовується лише а-карбід кремнію. і
Кристали а-8іС одержують методом сублімації*, за якої криста-
ли вирощують із газової фази в графітових тиглях в атмосфері
інертного газу при температурі 2500°С. В результаті одержують мо-
нокристали обох типів електропровідності розміром до ЗО мм із за-
лишковою концентрацією неконтрольовапих домішок до 1022 м’3.
До складу карбіду кремнію стехіометричного складу входить
70% кремнію і 30% вуглецю. Надлишок кремнію зумовлює елект-
ронний тип провідності, а надлишок вуглецю — дірко вий.
Домішки в карбіді кремнію можуть бути сторонніми, тобто
включеннями в кристалічні ґратки карбіду кремнію сторонніх еле-
ментів, і власними, які є перевищенням того або іншого компонен-
та над стехіометричним складом.
Для одержання карбіду кремнію з електронною провідністю як
легувальні домішки використовують елементи V групи Періодич-
ної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва (азот, фосфор,
миш’як, сурма, вісмут). Ці домішки забарвлюють карбід кремнію в
зелений колір. Кристали карбіду з дирковою електропровідністю
вирощують при легуванні елементами II групи (бор, алюміній,
галій, індій) і III групи (кальцій, магній) Періодичної системи
* Перехід речовини при нагріванні з твердого стану в газоподібний,
минаючи рідкий стан (від латин. зиЬИтаге — підносити).
132
хімічних елементів Д. І. Менделєєва, які дають чорне забарвлення. Г
Чистпй карбід кремнію стехіометричного складу безбарвний. Г
Кристали карбіду кремнію мають незначні розміри. Площа Iі
найкрупніших кристалів становить від 10 до 80 мм2. Молекуляр-
на маса т дорівнює 40,16. і;'1
За типом хімічного зв’язку відноситься до ковалентних крис- |'і
талів. Іонний зв’язок не перевищує 10... 12 %. р
Карбід кремнію має досить складну структуру енергетичних
зон. Для різних політипів «-модифікації ширина забороненої зони г
ДІУ = 2,72...3,34 еВ. Таке велике значення ширини забороненої зони і''
дозволяє створювати на основі карбіду кремнію напівпровідникові 'і'
прилади, які зберігають працездатність при температурах до 700°С. У
Ці прилади необхідні для контролю високотемпературних процесів }
у доменних печах, реактивних турбінах та ін. /її
Власна електропровідність карбіду кремнію через велику ширину 'ї;
забороненої зони спостерігається, починаючи з температури 1400°С. її
Рухомість носіїв зарядів у карбіді кремнію низька, для елек- •
тронів не перевищує Ця = 0,1 м2/(В-с) і для дірок Цр = 0,02 м2/(В-с).
Завдяки дуже великій енергії зв’язки атомів карбіду кремнію І!
мають виключно високу міцність, за твердістю він не набагато І/,
поступається алмазу.
Карбід кремнію має високу хімічну стійкість. При кімнатній тем- $
пєратурі вступає в реакцію тільки з розплавленою ортофосфорною
кислотою і сумішшю азотної і плавикової кислот, а також з розплав-
леними лугами, які використовують як травники; як травники вико-
ристовують також розплави солей МагСОз, К?СОз, ИагОг. При тем-
пєратурі близько 100°С карбід кремнію реагує з хлором. Окиснення !ї
карбіду кремнію відбувається тільки при температурі понад 800°С. $
Дифузію домішок карбіду кремнію проводять у закритому І
об’ємі при температурі 1800...2200°С. При введенні за методом ди- ?
фузії різних акцепторпих домішок, створюють інжекційні світло- |
діоди; максимум випромінювання знаходиться у видимих частинах |
видимої області спектра.
Важливою особливістю карбіду кремнію, що широко використо- ||
вується, є його здатність до люмінесценції у видимій частині спектру. |
Карбід кремнію завдяки високій твердості використовують для
механічної обробки різних матеріалів. Із суміші порошку карбіду
кремнію, елементарного кремнію і вуглецю випалом у атмосфері
азоту одержують силіт, який використовують для виготовлення
високотемпературних нагрівників. Карбід кремнію рекомендують
також для серійного випуску варисторів (нелінійних опорів),
світлодіодів, випрямляючих і тунельних діодів. На основі карбіду
кремнію одержують різні матеріали. Наприклад, при випалі карбіду
кремнію з глинистою зв’язкою одержують нелінійний матеріал
тиріт, а при випалі його з ультрафарфоровою зв’язкою — летін.
133
4.4.2. Складні напівпровідники типу АШВУ
Складні напівпровідники типу А!І1ВУ — цс хімічні сполуки ме-
талів III групи Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Мен-
делєєва (бор, індій, галій, алюміній) з елементами V групи (азот,
фосфор, сурма, миш’як).
Всі напівпровідникові сполуки цього типу мають структуру -
типу цинкової обманки або сфалериту*. Така структура аналогічна
кристалічним ґратам кремнію і германію, в яких кожний атом
зв’язаний з чотирма іншими атомами ковалентними зв’язками. '
Відміна полягає в тому, що у вузлах кристалічних ґраток сполучень
АІПВУ знаходяться не нейтральні атоми, а почергово розміщені по-
зитивно заряджені іони Ву і негативно заряджені іони Аш. Такий
вид зв’язку називають донорно-акцепторним.
Температура плавлення сполучень АШВУ вище температури .
плавлення первинних елементів, за виключенням антимоніду Індію.
За поведінкою при нагріванні сполучення поділяють на нероз-
кладні і розкладні. До нерозкладних відносять антимоніди. Інші .
сполучення АШВУ при нагріванні розкладаються інтенсивним ви-
паровуванням летючих компонентів Ву Тому пара над розплавами
фосфоридів і арсенідів складається тільки із компонентів Ву- фос-
фору або миш’яку.
Ширина забороненої зони АIV вимірюється в широких межах:
від 0,18 еВ для антимонідів до 2,45 еВ для фосфориту алюмінію.
Висока рухомість електронів дозволяє створювати на основі
сполучень АШВУ високочастотні напівпровідникові прилади.
У широкому інтервалі довжин хвиль, включаючи видиму інфра-
червону область спектра, яскраво проявляються оптичні власти- •
вості: поглинання електромагнітного випромінювання, фотопровід-
ність, мимовільне та вимушене випромінювання.
Найважливіші властивості, в основному, визначаються типом і
кількістю домішок. Але на відміну від простих напівпровідників
для напівпровідникових сполучень значно важче передбачити, не
звертаючись до експерименту, роль конкретної ДОМІНІКИ.
Порівняно з технологією простих напівпровідників процес
складних напівпровідникових сполучень включає додаткову опера-
цію прямого і безпосереднього синтезу із первинних елементів.
При прямому синтезі первинні речовини використовуються в
елементарному вигляді. Методом прямого синтезу одержують
сполучення, що не розкладаються — антимоніди.
*Міперал, сірчаний цинк, з домішками заліза, кадмію, рідше індію і
галію: від прозорого, безбарвного, жовтуватого (клейофаи), до буро-чорію-
го (марматит); блиск сильний. алмазний; руда для одержання цинку, а та-
кож для витягнення кадмію, індію, галію (від груп, зр/іаіегоз — оманливий).
134
При безпосередньому синтезі хоча б одну із первинних речовин
застосовують у ВИГЛЯДІ ЇЇ ХІМІЧНИХ сполук.
У напівпровідниковому виробництві широко використовують
епітаксійні шари сполучень АІПВУ. Перевагою епітаксійних ме-
тодів є можливість отримання багатошарових структур і простота
керування процесом росту епітаксійних шарів.
Арсенід галію займає серед сполучень АШВУ особливе
місце. Він має такі властивості: кристалізується в структуру
сфалериту; молекулярна маса т = 164,63; густина Р = 5,4 г/см3;
густина рідкого арсеніду галію 77 = 5,9 г/см3; ширина забороне-
ної зони АІУ = 1,4 еВ; рухомість електронів при температурі
300 К ц» = 0,85 м2/(В-с); температура плавлення стехіометрич-
ного складу Тпл “ 1237°С при тиску парів миш’яку приблизно
760 мм рт. ст.; показник заломлення 3,2; діелектрична про-
никність є = 11,1; робоча температура р - «-переходів, виготовле-
них на основі арсеніду галію, досягає 7 роб = 400°С; при кімнатній
температурі не взаємодіє з водою; при нагріванні до температури
300°С не окиснюється киснем повітря; при кімнатній температурі
взаємодіє з кислотами з виділенням сильно токсичної речовини
арсину АзНз.
Розчинність збільшується в сумішах кислот: при кімнатній тем-
пературі розчинність арсеніду галію в розчинах соляної кислоти
у широкому діапазоні концентрації становить 2*10’5 мг/(см2тод),
в суміші азотної і соляної кислот з водою у співвідношенні 1:1:1
вона зростає до 60 мг/(см2-год), а в суміші азотної і плавикової
дорівнює 1200 мг/(см2'год). Найбільший вплив на електричні
властивості арсеніду галію має кремній і мідь. Кремній заміщує
атоми галію в гратках арсеніду галію в результаті взаємодії галію
з кварцом при термічних процесах. При високих концентраціях
(від 2-Ю18 до 1-1020 см‘3) кремній в арсеніді галію є електрично
нейтральною домішкою. Мідь переходить в арсенід галію із тиглів,
човників і трубок, які використовуються при одержанні монокрис-
талів, і різко знижує рухомість електронів.
Нелегованпй арсенід галію має електронний тип провідності з
концентрацією носіїв заряду п = 5-Ю15 см"3 і рухомість електронів
Цр в 8000 м2/(В-с). При легуванні цинку утворюється арсенід
галію діркового типу провідності з концентрацією носіїв заряду
1О17...1О20 см-3 і рухомістю дірок = 200 м2/(В-с). Для одержання
арсеніду галію з високим питомим електричним опором (від р = 104
до 109 Ом см) розплав легують залізом або хромом до концент-
рації носіїв заряду п = 1017 см~3.
Арсенід галію загального призначення випускають у вигляді
монокристалічних зливків діаметром 12 мм, які отримують за мето-
дом Чохральського. Ці зливки використовують для виготовлення
напівпровідникових приладів.
135
Арсенід галію монокристалічний одержують за методом Чох-
ральського і використовують для вирощування епітаксійних
структур.
Арсенід галію є основним матеріалом для виробництва напівпро-
відникових лазерів з довжиною хвилі випромінювання 0,83...0,92 мкм.
Його широко використовують для виготовлення тунельних діодів,
генераторів НВЧ-колпвань з частотою генерації до 100 ГГц, первин-
них перетворювачів світла, датчиків низьких температур, а також
при виготовлені деяких типів інтегральних мікросхем.
Антимонід галію Са8Ь відноситься до матеріалів з
ознаками нестехіометричної природи сполучення, оскільки техно-
логічними прийомами концентрацію акцепторпої домішки в ньому
не вдається знизити менше, ніж на 1,5-1023 м'3. Антимонід галію має
такі властивості: кристалізується в кубічні гранецентровані ґратки;
молекулярна маса т = 191,48; постійна ґратки а = 0,6 Нм; густина
О = 5,61 г/см'3; температура плавлення Тпл = 712°С; діелектрична
проникність є = 14,8; показник заломлення 3,9; ширина забороненої
зони при температурі 300 К А17 = 0,67...0,72 еВ; рухомість елек-
тронів при температурі 300°С = 0,4 м2/(В-с). ,
Антимонід галію надзвичайно чутливий до механічних напру-
жень. При дії тиску 4-Ю8 Па питомий електричний опір «чистого»
антимоніду галію збільшується в 2 рази. При такому ж тиску, при-
кладеному до арсеніду галію і фосфіду індію, їх питомий електрич-
ний опір змінюється лише на 3%.
Монокристал Ічні зливки антимоніду галію одержують із полі-
кристалі чного матеріалу стехіометричного складу вирощуванням з
розплаву.
Завдяки високій чутливості до деформацій антимонід галію
використовують для виготовлення тензометрів, у виробництві
тунельних діодів і мікрохвильових детекторів.
Фосфід гал ію СаР відноситься до напівпровідників з
непрямими переходами. Довжина хвилі його електромагнітного
випромінювання залежить від енергетичних рівнів центрів ви-
промінюваної рекомбінації. Для світлодіодів із фосфіду галію, які
випромінюють червоне світіння, такі рівні створюють легуванням
цинком і киснем або кадмієм і киснем. Світіння в зеленій області
одержують при легуванні фосфіду галію азотом, який можна
ввести у великій кількості без зміни концентрації ВІЛЬНИХ НОСІЇВ
заряду.
Фосфід галію має такі властивості: кристалізується в структуру
сфалериту; параметр ґраток 0,54 Нм; молекулярна маса т = 100,7;
густина у твердому стані В = 4,1 г/см3, в рідкому І) = 4,6 г/см3,
температура плавлення стехіометричного стану при тиску парів
фосфору Р « 2,8-106 Па ГПл - 1500°С; робоча температура;? - «-пе-
реходу 7р0б = 500°С; ширина забороненої зони А17= 2,24 еВ.
136
Нелеговані кристали мають діркову електропровідність; як
основний акцептор використовують цинк, а як донорну домішку —
телур і сірку.
Внаслідок великої ширини забороненої зони фосфід галію від-
різняється високою механічною стійкістю, стійкий на повітрі при
нагріванні до температури 700...800°С, з киснем і водяною парою за
звичайних умов не реагує, стійкий проти багатьох кислотних роз-
чинів.
Швидкість розчинення в концентрованій азотній кислоті
при кімнатній температурі становить 0,16 мг/(см2-год), в соляній
ї кислоті — 0,01 мг/(см2-год), в суміші азотної і соляної кислот, які
? взяті у співвідношенні 1:3, — 7,8 мг/см2-год). Більш висока швид-
і кість розчинення спостерігається в плавиковій кислоті і сумішах
ї кислот з її участю, а також у «царській водці». При взаємодії з кис-
{ лотами виділяється дуже токсична речовина фосфін РНз. Фосфід
І галію стійкий проти лужних розчинів.
[ Фосфід галію полікристалічний одержують у результаті синтезу
( первинних речовин у двозонній печі при температурі 1500°С. Одер-
і жана речовина є дрібнозернистими кристалами сірого кольору, про-
\ зорі на просвіт при товщині 20 мм. Полікристалічний фосфід галію
і використовується як первинний матеріал для одержання монокри-
[ сталічного матеріалу.
і Фосфід галію монокристалічний одержують за методом Чох-
[ ральського із-під шару флюсу. Одержана речовина — це дендритні*
І пластини розмірами 5х5хі,5 мм електронного і діркового типу
| провідності.
[ Внаслідок значної ширини забороненої зони випромінювальні
[ переходи в фосфіді галію припадають на видиму частину спектра,
[ що визначає основну область їх використання — виробництво
і світлодіодів. Завдяки великій термо- і радіаційній стійкості фосфід
[ галію використовують для виготовлення сонячних батарей.
| Підкладки із напівізольованого фосфіду галію використовують для
| одержання гетероепітаксильних (по-різному орієнтованих) шарів.
| Арсенід і н д і ю ІпАз за властивостями аналогічний анти-
| моніду індію. Він має такі властивості: кристалізується в кубічні гра-
і нецентроваиі ґрати; молекулярна маса т = 189,67; параметр ґратки
І а = 0,6 Нм; густина £> = 5,56 г/см3; температура плавлення ТПл = 943°С;
І показник заломлення 3,9; мікротвердість 4-Ю9 Н/м2; діелектрична
| проникність е = 14; ширина забороненої зони при температурі
X
__ — ____• —
\ * Дендрити (від. грец. ґіепґігоп — дерево) — незавершені в своєму роз-
| витку кристали або агрегати з кристалів, що зрослися, якого-небудь міне-
ралу, який має складну розгалужену форму пласких віток, листа папороті
та ін.; утворюються за швидкої кристалізації в стислих для росту кристалів
умовах, наприклад, топких тріщинах, в’язкому середовищі та ін.
| 137
$
300 К А17= 0,36 еВ; рухомість електронів ц/?=3,3 м2/(В-с); рухомість
дірок = 0,046 м2/(В-с), Найбільш чистий арсенід індію має кон-
центрацію електронів пі = 2-Ю21 М"3. Тиск пари в точці плавлення
Р = 0,34О5 Па не створює технологічних труднощів.
Монокристал Ічні зливки арсеніду індію одержують за методом
Чохральського або горизонтальною направленою кристалізацією.
Арсенід індію використовують для виготовлення датчиків Хол- •
ла, фотодіодів, лазерів, а також приладів з гальваномагнітними
ефектами.
А н т и м о н І д і н д і ю Іп8Ь найбільш вивчений із всіх сполу-
чень АІІІВУ, що пояснюється простотою його одержання. Він має ?
такі властивості: кристалізується в кубічні гранецентровані ґратки;
постійна ґратки 0,64 Нм; молекулярна маса т = 263,58; густина .
Р - 5,77 г/см3; температура плавлення Тил = 525°С; показник •
заломлення 3,75; мікротвердість 2,5-109 Н/м2.
Через малу ширину забороненої зони А17 = 0,18 еВ при тем-
пературі нижче кімнатної антимонід індію стає виродженим напів-
провідником. З цієї ж причини електропровідність антимоніду
при кімнатній температурі стає не домішковою, а власною. Рухо-
мість електронів перевищує при низьких температурах 10 м2/(В<);
фотопровідність охоплює область, що лежить в Інфрачервоній
частині спектру з максимом фотопровідності, яка відповідає довжині
хвилі 6,7 мкм.
Одержують антимонід індію сплавленням в атмосфері водню у
стехіометричному співвідношенні високочистпх індію та сурми.
Потім вирощують монокристал Ічні зливки за методом Чохральского
з подальшим очищенням методом зонного плавлення.
Промисловість випускає монокристалічний антимонід індію у
вигляді зливків і пластин з електронною і дірковою електро-
провідністю з концентрацією носіїв заряду 1О20...1О24 м"3. Для легу-
вання використовують телур, цинк, германій.
Антимонід індію використовують для виготовлення датчиків
Холла, оптичних фільтрів і термоелектричних генераторів і холодиль-
ників. Дуже високу фоточутливість антимоніду індію використову-
ють для виготовлення детекторів довгохвильового інфрачервоного
випромінювання (при охолодженні до 1,5 К), а також фоторезисторів.
Фосфід Індію ІпР відноситься до напівпровіднико-
вих структур АПІВУ, одержання яких пов’язано з технологічними
труднощами. Він має такі властивості: температура плавлення
Тпл = 1062°С; концентрація електронів у найбільш чистому фосфіді
індію п = 1021 м’3; ширина забороненої зони А17= 1,29 еВ; діелек-
трична проникність є -14.
Технологічні труднощі вирощення монокристалів монофосфіду
індію пов’язані з високим тиском парів (Р= 21-105Па) у точці плав-
лення. Фосфід індію використовують для виготовлення лазерів.
138
4.4.3. Складні напівпровідники типу АТІВУІ
Групу капів провідникових матеріалів типу АПВУІ складають
подвійні сполучення халькогенІв з металами II групи
Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва (цинк,
кадмій, ртуть). До халькогенІв відносять сірку 5, селен Зе і телур Те;
сполучення з цими елементами (сульфіди, селеніди, телуриди)
назі і ва ють хал ькогенідам и.
Халькогенідн типу АИВУІ кристалізуються в структури двох
типів: кубічну типу сфалериту, то утворюється при низьких темпе-
ратурах, і гексагональну.
Кожний атом у гратках зв’язаний з чотирма сусідніми, два з
яких мають ковалентний характер, а два інших — іонний. Міцність
зв’язків атомів у кристалічних ґратках всередині кожної групи
(сульфідів, селенідів, телуридів) зменшується при збільшенні
сумарного атомного номера.
Халькогенідн розрізняються між собою шириною забороненої
зони АIV, яка становить від 3,7 сВ для ХпЗ до 0,02 еВ для НдТе.
Температура плавлення ТПл — від 1830 до 670°С. Всі халькогенідн
мають високу чутливість до випромінювання від інфрачервоного
до рентгенівського спектра, проявляючи фоторезисти вігі і люміне-
с центи і власті і вост І.
Залежно від співвідношення компонентів вони можуть мати
електронну і діркову провідність: надлишок металу Аи зумовлює
появу електронної провідності, а надлишок халькогсну ВУІ — появу
дІркової електропровідності.
Електропровідність змінюється від малих значень в ізолюваль-
ному матеріалі сульфіду кадмію до високих у свинцю, близького до
металу телуриду.
Халькогенідн малорозчинні у воді, хімічно стійкі, погано розчи-
няються в розбавлених соляній і сірчанії! кислотах; псроксид вод-
ню, азотна кислота та інші окиснювачі переводять їх у відповідні
солі сірчаної, селенової І телурової кислот.
Сполучення типу АПВУІ використовують у вигляді полікрис-
талів (плівки і пресовані таблетки) і монокристалів.
Технологія одержання сполучень типу АІЕВУ1 проста. Полікрис-
талічний сульфіди І телуриди одержують частіш за все осадженням
із водних розчинів солей з сірчаною кислотою Нз8. Для одержання
телуриду кадмію і селенідів використовують безпосереднє сплав-
лення первинних компонентів. Полі кристалічні плівки одержують
найчастіше методом катодного розпилювання у вакуумі з подаль-
шою рекристалізацією випалом. Такі плівки мають високий п’єзо-
модуль і використовуються нарівні з п’єзоелектрикамп при виго-
товленні перетворювачів електромагнітних коливань в акустичні в
діапазонах ВЧ і НВЧ.
139
Монокристали одержують вирощуванням із розплаву і направ-
леної кристалізації, Епітаксильні плівки отримують осадженням із
парової фази на орієнтовані підкладки.
Халькогеніди використовують також як люмінофори* для всіх
видів люмінесценції і матеріалів для фоторезисторів. Як активато-
ри люмінофорів використовують метали І групи Періодичної сис-
теми хімічних елементів Д. І. Менделєєва (мідь, срібло), а також
рідкісноземельні елементи.
Халькогеніди цинку. Сульфід цинку 2п8 має такі власти-
вості: густина І) = 4,08 г/см3; температура плавлення Діл в 1830°С;
ширина забороненої зони ДІЕ = 3,7 еВ; рухомість електронів
сіл = 140 см2/(В-с); рухомість дірок рр = 5 см2/(В-с); питомий елек-
тричний опір р становить 106..,10і2 Ом-м (за електропровідністю і
шириною забороненої зони близький до діелектриків); електронна
провідність у нелеговаиих кристалів; для одержання діркової елек-
тропровідності використовують легування елементами І групи
Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.
У вигляді кристалічного порошку (рідше у вигляді плівок)
сульфід цинку використовують для виготовлення люмінофорів
різних приладів: осцилографічних і телевізійних електронно-про-
меневих трубок, люмінесцентних освітлювальних і цифрових ламп.
Срібло, мідь, марганець у кількості 0,001...3% використовують як
активатори. Введення надлишкового цинку дозволяє одержати
дуже малий час післясвітіння.
Монокристали сульфіду цинку застосовують як оптичний ма-
теріал, прозорий в інфрачервоній області спектра, для створення
лазерів з довжиною хвилі А. = 0,32 мкм, а також для п’єзопідсилю-
вачів акустичних коливань.
Селенід цинку 7лі8е має такі, властивості: густина
О = 5,26 г/см3; температура плавлення ТПд ~ 1515°С; ширина забо-
роненої зони ДІУ = 2,7 еВ; рухомість електронів Ц/? = 700 см2/(В-с);
рухомість дірок Цр = 28 см2/(В-с).
Селенід цинку багато у чому схожий на сульфід цинку, але його
властивостями легше керувати. Його використовують для люміно-
фора і фоторезистора.
Телурид цинку 7пТе має такі властивості: густина
Р =5,7 г/см3; температура плавлення = 1295°С; ширина заборо-
неної зони ДІЕ = 2,2 еВ; рухомість електронів р» = 1540 см2/(В-с);
рухомість дірок рр = 300 см2/(В-с); електронна електропровід-
ність у результаті надлишку атомів телуру; питомий електричний
опір р становить 102...10/{ Ом-м.
Його використовують як електрод юміноф і фоторезистор.
* Речовини, що перетворюють поминальну ними енергію у світлове
випромінювання (від латин. Іитеп (Іитіпіа) — світло + р/югоз — несучий).
140
Халькогеніди кадмію. Сульфід кадмію Сс18 має такі вла-
стивості: густина Г= 7,6 г/см3; температура плавлення Гпл = 1114°С;
теплопровідність X. - 0,03 Вт/см-°С); показник заломлення 4,19;
ширина забороненої зони МУ= 0,4 еВ; рухомість електронів
Ця = 600 см2/(В-с); рухомість дірок = 400 см2/(В-с); завжди має
електронну провідність через нестачу сірки відносно стехіометрич-
ного складу; питомий електричний опір р під впливом домішок,
температури, випромінювання змінюється від 0,1 до 107 Ом-м;
найбільш чутливий фоторезистор у видимій частині спектра.
Сульфід кадмію використовують як люмінофор, а також для ви-
готовлення дозиметрів ультрафіолетових, рентгенівських і гамма-
променів, лічильників частинок та ін.
Селенід і телурид к а д м і ю одержують за тими ж
методами, що й сульфід кадмію.
4.4.4. Складні напівпровідники типу АІУВУЇ
(халькогеніди свинцю)
Групу напівпровідників типу АІУВУІ представляють сульфід
свинцю РЬ8 , селенід свинцю РЬ5е і телурид свинцю РЬТе.
Халькогеніди свинцю кристалізуються у кубічні ґратки. Харак-
тер хімічного зв’язку атомів близький до ковалентного. Вони чут-
ливі до порушення стехіометричного складу: надлишок свинцю
0,003% зумовлює появу електронної електропровідності, такий же
надлишок халькогену призводить до появи діркової електропровід-
ності. Акцепторнпми домішками є мотали І групи Періодичної
системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва (срібло, мідь, калій,
натрій), які заміщують атоми свинцю; донорними домішками є еле-
менти II групи, які заміщають атоми свинцю і галогени VI групи,
які заміщають атоми халькогену; домішкові енергетичні рівні не
дискретні навіть при низьких температурах.
Халькогени свинцю не розчиняються у воді, повільно окис-
нюються на повітрі. Для протравлення використовують нагріту
соляну і азотну кислоту, а також гарячі розчини лугів. При низь-
ких температурах з’являється випромінювальна рекомбінація
носіїв заряду, що дозволяє використовувати халькогеніди свинцю
для створення лазерів інфрачервоного діапазону; мають фоторе-
зистивні властивості.
Полікристали халькогенідів свинцю одержують сплавленням
компонентів у вакуумі в кварцових ампулах або осадженням із
розчинів. Внаслідок високої летючості халькогенів необхідно
контролювати тиск пари над рідкою фазою при кристалізації із
розплаву.
141
Монокристали одержують направленою кристалізацією і
витягуванням із розплаву за методом Чохральського із-під шару
флюсу.
Тонкі плівки одержують методом осадження з парової фази в
вакуумі, метолом хімічного осадження і епітаксій ного нарощу-
вання.
Сульфід свинцю РЬ8 існує у вигляді мінералів гало-
геніту, які є однією з найпоширеніших руд свинцю. Зустрічаються
великі монокристали мінералу, які за провідниковими властивостя-
ми не поступаються кращії,м матеріалам, одержаним в лаборатор-
них умовах.
Сульфід свинцю має такі властивості: молекулярна маса т = 120;
постійна ґраток становить 0,549 Нм; густина В - 7,6 г/м3; темпера-
тура плавлення Тпл = 1114°С; теплопровідність X =0,03 Вт/(см-°С);
показник заломлення 4,19; ширина забороненої зони ДІУ = 0,4 еВ;
рухомість електронів Ця = 600 см2/(В-с); рухомість дірок Цр -
400 см2/(В-с).
Селенід свинцю РЬ8е існує у вигляді мінералу клаус-
таліту, який в природі знаходять дуже рідко. 1
Селенід свинцю має такі властивості: молекулярна маса т = 143;
постійна ґраток становить 0,612 Нм; густина І) = 8,15 г/м3; темпера-
тура плавлення 7пд = 1065°С; теплопровідність X =0,017
Вт/(см-°С); показник заломлення 4,54; ширина забороненої зони
ДИ7 = 0,3 еВ; рухомість електронів ц» = 900 см2/(В-с); рухомість
дірок Цр = 500 см2/(В-с).
Телурид с в и н ц ю РЬТе міститься у природному мінералі
ал таїті, який також зустрічається рідко.
Телурид свинцю має такі властивості: молекулярна маса т = І68;
постійна ґраток — 0,65 Нм; густина £) = 8,16 г/м3; температура
плавлення Тпл = 910°С; теплопровідність X =0,017 Вт/(см-°С);
показник заломлення 5,48; ширина забороненої зони ДЕ7 = 0,3 еВ;
рухомість електронів = 300 см2/(В-с); рухомість дірок и/? =
200 см2/(В-с).
Телурид свинцю має високий коефіцієнт термоЕРС і малу теп-
лопровідність, тому є ефективним матеріалом для створення
напівпровідникових термоелементів, ідо працюють при температу-
рах 300...700°С.
4.4,5. Складні напівпровідники типу А^В^1
Цю групу напівпровідникових матеріалів представляють суль-
фід сурми 86283, селенід вісмуту Ві?8ез і телурид вісмуту В12ТЄЗ.
Ці матеріали кристалізуються в ромбічну і ромбоедричну структур
ри, що мають низьку симетрію.
142
їм притаманна сильна анізотропія властивостей навіть у плівко-
вих зразках, а також електропровідність, дуже чутлива до відхилень
від стехіометричного складу.
Халькогеніди з’єднань типу А^Ву синтезують сплавлення пер-
винних компонентів при зниженому тиску в запаяних кварцевих
ампулах. Монокристали одержують методом направленої криста-
лізації.
Завдяки високій фоточутливості сульфід сурми використовують
для виготовлення фотопровідних мішеней передавальних теле-
візійних трубок.
4.4.6. Оксидні напівпровідники
Оксидні напівпровідники прийнято називати бінарними
з’єднаннями полярного типу, в яких ясно розрізняються металевий
і неметалевий (металоїдний*) компоненти і які можуть розглядати-
ся як іонні з’єднання. Напівпровідникові властивості мають деякі
оксиди металів, в яких іон металу відноситься до елемента пе-
рехідного ряду Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Мен-
делєєва (7п, Си, N1, Со, Ге, Мп, Сг, V, Ті).
Електропровідність стехіометричних оксидів перехідних ме-
талів завжди більше електропровідності звичайних напівпровід-
ників (кремнію і германію). Так, електропровідність оксидів СгзОз,
МпО, М113О4, Ре2Оз, N10, СоО, С112О і більш складних за складом
ХпРеОд, МпСггОд змінюється від 107 до 10 і1 Ом-см. На електричні
властивості оксидних напівпровідникових матеріалів суттєво впли-
вають домішки.
Серед оксидів найпоширенішими є закис міді С112О, оксид
цинку 2пО, діоксид титану ТіО2, оксид заліза РегОз, оксид нікелю
ИІО2'.
Закис міді С112О — це типовий дірковий складний напів-
провідниковий матеріал жовтого і червоного кольору, який має такі
властивості: молекулярна маса т = 143; плавиться при температурі
Гпл = 1230°С без розкладання; розкладання починається при тем-
пературі 1800°С; ширина забороненої зони ДІР= 1,9 еВ; діркова
електропровідність виникає за рахунок надлишку кисню відносно
стехіометричного складу; для одержання оксиду міді з електро-
ною провідністю використовують дифузію міді; рухомість дірок
= 8-Ю'3 м2/(В-с). Питомий електричний опір р на декілька
порядків менше ізолятора із оксиду магнію.
*Металоїд, металоїди (метал...+грсц, еі(іо$ — вид) — застаріла назва не-
металевих елементів (сірка, азот та ін.), останнім часом замінено назвою
неметали.
143
Закис міді не розчиняється у воді, але легко розчиняється у кис-
лотах і використовується для виготовлення купоросних випрямлячів.
Оксид цинку 2пО має такі властивості: молекулярна маса
т = 41; температура плавлення ТІІЛ = 1975°С; ширина забороненої
зони ДІ¥= 3,2 еВ; електронна провідність виникає завдяки надлиш-
ковому цинку, який завжди присутній в оксиді цинку; рухомість
електронів цн = 1000 м2/(В-с).
Діоксид титану ТіОз має ширину забороненої зони
Д1У=3,0 еВ. Створюючи надлишок титану в процесі відновлення
діоксиду титану, досягають зниження питомого електричного опо-
ру р зразків. При цьому в зразках виникає електронна електро-
провідність.
Оксид заліза РезОз має такі властивості: молекулярна
маса те = 160; температура плавлення ТПл = 1500°С; ширина заборо-
неної зони = 2,2 еВ.
Оксид нікелю N402 має такі властивості: молекулярна
маса т = 75; температура плавлення 74л = 1700°С; ширина заборо-
неної зони Д№ = 1,2 сВ.
В оксидах заліза ГЄ2О3 і нікелю N102 питомий
електричний опір знижується не тільки в результаті відхилення від
стехіометрії, але й завдяки змінній валентності іонів металу.
Переваги оксидних напівпровідників полягають в тому, що
технологія їх виготовлення порівняно проста. У виробництві вико-
ристовують полікристалічні оксиди у вигляді спечених зразків, які
легко одержують за методами керамічної технології.
Суміш оксидів використовують для виготовлення терморезис-
торів (термісторів) з негативним температурним коефіцієнтом
електричного опору ТКр, фоторезисторів, варисторів, опір яких
значною мірою залежить від прикладеної напруги.
4,4.7. Склоподібні напівпровідники
Напівпровідникові властивості спостерігаються не тільки в
кристалічних, але й в аморфних сполуках. До таких сполук відно-
сять неорганічні стекла.
Склоподібність — це особливий вид аморфної речовини. Такі
речовини мають механічні властивості, які подібні до механічних
властивостей твердих кристалічних речовин. На відміну від кри-
сталічних у склоподібних напівпровідникових матеріалах відсутня
домішкова електропровідність, тобто домішки в них не можуть
бути ні донорами, ні акцепторами. Проте домішки можуть впли-
вати на відхилення від стехіометричного складу напівпровідни-
кового матеріалу, що призводить до зміни його електрофізичних
властивостей.
144
Склоподібні напівпровідники характеризуються дезорієнтуван-
ням структури і ненасиченимп хімічними зв’язками. У просторових
ґратках таких матеріалів, крім ковалентно зв’язаних атомів, є по-
лярні групування іонів І зв’язок між атомами здійснюється за раху-
нок короткодіючих ковалентних сил Ван-дер-Ваальса.
Напівпровідникові властивості мають як кисневміщуючі стек-
ла, так і без кисневі халькогенідн! стекла. Кисневміщуючі стекла
одержують сплавленням оксидів металів, наприклад, ванадій-фос-
фатні стекла типу У?О5 — Р2О5 — 2пО. Безкисневі халькогенідні
стекла одержують сплавленням халькогенІв (сірки, селену, телуру)
з елементами II, IV і V груп Періодичної системи хімічних еле-
ментів Д. І. Менделєєва, наприклад, АвгЗсз — Аз)з.
Склоподібні напівпровідникові матеріали поки що мало вив-
чені і тому не знайшли широкого промислового використання.
4.4.8, Органічні напівпровідники
Напівпровідникові властивості органічних сполук (антрацену)
були відкриті в 1906 р. Спочатку була встановлена фотопровідність
барвників. Потім було визначено, що органічні напівпровідники
мають таку саму залежність провідності від підвищення температу-
ри, як п неорганічні. Проте органічні напівпровідники багато в чо-
му відрізняються від звичайних напівпровідників (германію,
кремнію). У своїй структурі воші мають тверді органічні напівпро-
відникові ароматичні кільця із спряженими зв’язками. Рухомість
носіїв заряду на декілька порядків нижча, пі ж у германію. У бага-
тьох сполук при низьких температурах не спостерігається вираже-
ної домішкової провідності. Напівпровідникові властивості
поєднуються з еластичністю, здатністю до утворення плівок і воло-
кон. Органічні провідники — високоміцні матеріали.
Процес провідності визначається рухом носіїв заряду всередині
молекули речовини та їх переходами від молекули до молекули.
При кімнатній температурі для низькотемпературних сполук пито-
мий електричний опір р = 10і0... 1010 Ом-см, для високотемператур-
них р - 1О5...1О9 Ом-см.
Фотопровідність зростає зі збільшенням освітленості і темпера-
тури та має визначену спектральну характеристику.
При проникненні кисню електропровідність може як збільшу-
ватися, так і зменшуватися.
Всі органічні тверді напівпровідникові матеріали поділяють на
п’ять груп: молекулярні кристали, молекулярні комплекси, метало-
органічні комплекси, полімерні напівпровідники, пігменти.
Молекулярні к р п с т а л и — це поліциклічні низькомо-
лекулярні ароматичні сполуки. Вони відрізняються кристалічністю і
145
наявністю ароматичних кілець з системою спряжених подвійних
зв’язків.
До молекулярних кристалів відносять антрацен СцНю, наф-
талін СюНя, фенатрен, ііерилен, коронен, віолантрен, ізовіолантрен
і фталоціанін Вони мають діркову провідність у більшості із ма-
теріалів цього класу, енергія активації приблизно становить 1...3 еВ,
низькою рухомістю носіїв заряду р = 0,5...і,0 м2/(В-с), питомим
електричним опором р від 7 до 1015 Ом-см.
Молекулярні комплекси — це поліциклічні низько-
молекулярні сполуки з електронною взаємодією між молекулами
речовин. Вони мають дірково-акцепторну провідність: одна моле-
кула може віддати електрон, а інша — приєднати; при передачі заря-
ду виникає іонний зв’язок між молекулами. Електропровідність
більша, ніж у молекулярних кристалів.
За структурою молекулярні комплекси бувають однорідними і
шаруватими зі шарами п ір-типІв.
Однорідну будову мають галогенароматичнІ комплекси.
Типовим однорідним молекулярним комплексом є віолантрен-
йод, в якому віолантрен має властивості донора, а йод — акцепто-
ра. Із збільшенням концентрації йоду ширина забороненої зони
змінюється від 0,18 до 0,45 еВ. Цей матеріал має діркову
провідність. Шаруватим молекулярним комплексом є ізовіолант-
рен-калій.
Металоорганічні комплекси — це низькомолеку-
лярні речовини, в центрі молекули яких є атоми металу. Такі ма-
теріали мають енергію активації носіїв заряду понад ІеВ, відносно
високу рухливість носіїв заряду [приблизно 10 м2/(В-с)], Основни-
ми носіями зарядів є дірки.
Металоорганічні комплекси здатні до полімеризації і мають
питомий електричний опір р від 109 до 1013 Ом-с.
Прикладом металоорганічних комплексів є фталоціанін міді.
Полімерні напівпровідники — це матеріали з
довгими ланцюгами спряжень і складною фізико-хімічною бу-
довою.
Пігменти — барвники, що мають напівпровідникові власти-
вості, для яких характерні висока енергія забороненої зони і низька
електропровідність.
До полімерних пігментів відносять індиго, еозин, пінациапол,
радофлавін, радаміп, трипафлавін та ін.; до природних пігментів —
хлорофіл, каротин та ін.
Пігменти бувають напівпровідниками електронними з провід-
ністю и-типу і діркові з провідністю р-типу.
Як первинний матеріал для виготовлення різних приладів
використовують монокристалічні і полікристалічні органічні напів-
провідники.
146
Основним критерієм використання органічних напівпровід-
ників є їхня чистота. Для очищення органічних матеріалів викори-
стовують кристалізацію із розчину, сублімацію, хроматографію* із
розчину або пари і зонне очищення.
Органічні напівпровідники використовують для виготовлення
терморезисторів з високою температурною стабільністю п’єзоеле-
мента, резонансних контурів в Інтегральних схемах, радіаційних
дозиметрів, фоторезисторів, квантових генераторів, тензодатчиків з
високою чутливістю.
Прилади, виготовлені па основі органічних напівпровідників,
відрізняються високою механічною і кліматичною стійкістю в умо-
вах тропічного клімату і при підвищених вібраційних і ударних на-
вантаженнях. Наприклад, радіаційні дозиметри використовують в
атомних реакторах, терморезистори — для контролю температур-
них режимів у вібраційних установках.
Контрольні питання
1. Чим відрізняється власна провідність від доміпікової?
2. За якими методами одержують монокрпеталічиі напівпровідники?
3. Що являють собою складні напівпровідникові сполуки?
4. Охарактеризуйте складні напівпровідники типу АІУВІУ.
5. Охарактеризуйте складні напівпровідники типу АШВУ.
6. Охарактеризуйте складні напівпровідники типу АПВУІ.
7. Що собою являють халькогеніди свинцю?
8. Охарактеризуйте оксидні, склоподібні та органічні напівпро-
відники.
* Спосіб розділення сумішей (від грец. скгоута (сііготсіїоз) — колір) —
це сорбція компонентів суміші твердим носієм і послідовним вимиванням
(елюювання) їх. Сорбенти (від латин. зогЬепз (зогЬепіїз) — поглинальний,
поглиначі) — тверді тіла або рідини, наприклад, активоване вугілля, що ви-
користовується для поглинання яких-небудь речовин з розчину або газів з
N[67010 очищення, знищення запаху та ін.
147
Розділ 5
ДІЕЛЕКТРИЧНІ МАТЕРІАЛИ
5.1. КЛАСИФІКАЦІЯ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
Навіть найпростіша електрична схема не може бути виконана без
використання провідникових і діелектричних матеріалів. У діелек-
тричних матеріалів електропровідність практично відсутня, точніше,
має дуже мізерне значення порівняно з провідниковими матеріа-
лами, тому що між валентною зоною та зоною провідності існує1
енергетичний поріг, які електрони за звичайних умов не долають.
За призначенням діелектричні матеріали можна розподілити на
електроізоляційні матеріали та активні діелектрики.
Основне призначення електроізоляційних матеріалів — це пере-
шкода проходженню струму шляхами, небажаними для роботи
даної електричної схеми. їх використовують для створення елект-
ричної ізоляції, що оточує струмо провідні частини електричних
пристроїв і відокремлює одна від одної частини, що знаходяться під
різними електричними потенціалами. Призначення електричної
ізоляції — це недопущення проходження електричного струму за
будь-якими небажаними шляхами, крім передбачених електричною
схемою пристроїв.
Електроізоляційні матеріали використовуються, як діелектри-
ки в електричних конденсаторах для створення певного значення
його електричної ємності, а в деяких випадках для забезпечення
певного виду залежності цієї ємності від температури або інших
факторів.
Активні діелектрики, тобто діелектрики з керованими власти-
востями, не тільки створюють електричну ізоляцію (тобто викону-
ють «пасивну» роль), але в різних пристроях використовується
зміна їх параметрів під дією різних факторів. До активних діелек-
триків належать сегнетоелектрики, п'єзоелектрики і електрети.
У сегнетоелектриків діелектрична проникність суттєво змінюється
при зміні напруженості електричного поля і при зміні температури.
П’єзоелектрики генерують електричні заряди під дією механічних
напружень і, навпаки, змінюють свої розміри під дією електричного
поля. Електрети можуть розглядатися як електричні аналоги
постійних магнітів, оскільки вони здатні тривало зберігати елек-
тричний заряд.
148
Електроізоляційні матеріали за агрегатним станом
розділяються на тверді, рідкі й газоподібні. Особливу групу станов-
лять матеріали, які тверднуть. У процесі виробництва виробів їх
вводяться в ізоляцію рідкими або пластичними, але потім вони ста-
ють твердими речовинами.
За хімічною основ о ю електроізоляційні матеріали
поділяються на органічні (сполуки вуглецю з воднем, азотом, кис-
нем і деякими іншими елементами) та неорганічні.
Неорганічні матеріали порівняно з органічними мають вищу
нагрівостійкість.
Розрізняють також природні, штучні і синтетичні електроізо-
ляційні матеріали. Природні електроізоляційні матеріали — це ма-
теріали природного походження, які використовуються без хімічної
переробки. Штучні електроізоляційні матеріали одержують шля-
хом хімічної переробки природної сировини. Синтетичні елект-
роізоляційні матеріали одержують методом хімічного синтезу.
Електроізоляційні матеріали важно також розділити на полярні
й неполярні для оцінювання їхніх електричних, адгезивних власти-
востей, гігроскопічності та ін.
5.2. ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
ДІЕЛЕКТРИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
Властивості діелектричних матеріалів необхідно враховувати
для оцінювання їх можливих галузей використання, а також екс-
плуатаційних властивостей. До електричних властивостей діелект-
ричних матеріалів відносять поляризацію, електропровідність,
діелектричні втрати і пробій.
5.2.1. Поляризація діелектриків
Основним характерним процесом для будь-якого діелектрика,
що виникає при дії на нього електричної напруги, є поляризація.
Поляризація — це процес, який полягає в органічному зміщенні
або орієнтації зв’язаних зарядів у діелектрику при дії на нього
електричного поля.
У будь-якій речовині, в тому числі і діелектрику, незалежно від на-
явності або відсутності в ньому вільних електричних зарядів завжди
є зв’язані заряди: електрони оболонок атомів, атомні ядра, іони. Під
дією зовнішнього електричного поля зв’язані електричні заряди в
діелектрику зміщуються зі своїх рівноважних положень: позитивні в
напрямку вектора напруженості поля Е (до негативного заряду), а не-
гативні — в зворотному (рис. 5.1).
149
Оскільки в глиоині діелек-
трика позитивні й негативні
заряди компенсуються, неком-
пенсовані електричні заряди
залишаються на поверхні
діелектрика. При цьому біля
внутрішньої поверхні нега-
тивного електрода утворюють-
ся декомпенсовані позитивні
заряди, а біля позитивного —
негативні. У діелектриків, що
містять дипольні молекули,
при поляризації спостеріга-
ється також орієнтація ди-
полів в електричному полі.
Поляризація призводить до
утворення в кожному елемен-
тарному об’ємі діелектрика
(IV індукованого (наведеного)
електричного моменту сір.
Рис. 5.1. Схема розміщення зарядів '
в поляризованому діелектрику:
1 — діелектрик; 2 — обкладка електродів;
5 — площа кожної обкладки; іі — відстань між
електродами (товщина шару діелектрика)
Утворення індукованого електричного моменту в діелектрику
і є явищем поляризації. Інтенсивність поляризації діелектрика
визначається поляризованістю Р, яка дорівнює відношенню індуко-
ваного електричного моменту об’єму діелектрика до цього об’єму,
коли він наближається до нуля:
Р = (Ір/сІУ. (35)
Поляризованість — векторна величина, її напрямок збігається з
напрямком електричного моменту —- від негативного заряду до
позитивного.
Ступінь поляризованості для діелектрика оцінюється віднос-
ною діелектричного проникністю є. Чим вище її значення, тим
сильніше поляризується діелектрик.
Відносна діелектрична проникність є становить відношення
заряду 2 конденсатора з даним діелектриком до заряду вакуум-
ного конденсатора тих же розмірів, тієї ж конфігурації електродів,
за цієї ж напруги:
є == 0/<2о, (36)
де С = 2о + Од — заряд конденсатора, коли між обкладками знаходиться
діелектрик; 2о — заряд конденсатора, в якому діелектриком є вакуум;
Од — заряд, зумовлений поляризацією.
Таким чином
2° + Ол
2
(37)
150
Діелектрична проникність є кількісною характеристикою, вона
завжди більше одиниці, коли між обкладками конденсатора знахо-
диться вакуум:
Од =0 і є = єп = 1, (38)
де Єо — діелектрична проникність вакууму.
Ємність конденсатора, в якому діелектриком є вакуум, Со виз-
начається за такою формулою:
Со - 2о/єл. (39)
Ємність конденсатора таких самих розмірів з діелектриком:
Сд = £2о/ел, (40)
де И — товщина діелектрика, м.
Звідси відносна діелектрична проникність :
є = Сд/Со. (41)
Збільшення діелектричної проникності свідчить про тс, що
ємність конденсатора з даним діелектриком збільшується порівняно
з ємністю конденсатора, між обкладками якого знаходиться вакуум.
Поляризацію умовно можна розподілити на два види:
— поляризація під дією електричного поля практично миттєва,
без розсіювання енергії, тобто без виділення теплоти;
— поляризація, яка здійснюється не миттєво, а зростає і спадає
повільно, а також супроводжується розсіюванням енергії в діелект-
рику, тобто нагріває його.
Залежно від будови діелектрика і його агрегатного стану
розрізняють електронну, іонну, дипольну, міграційну, спонтанну і
резонансу поляризацію.
Електронна поляризація — це зміщення електронних орбіт
відносно позитивно зарядженого ядра під дією зовнішнього елек-
тричного поля. Вона встановлюється за дуже короткий час після
накладання електричного поля І становить 10'14... 10"15 с. При збіль-
шенні розмірів атома електронна поляризованість збільшується.
Значення діелектричної проникності коливається в невеликих
межах і не залежить від частоти струму.
Електронна поляризація не пов’язана з втратою енергії і вини-
кає у всіх атомах будь-якої речовини і, отже, у всіх діелектриках не-
залежно від наявності у них інших видів поляризації. Для речовин
іонної будови суттєве значення має електронна поляризованість не
атомів, а іонів.
Затримка у встановленні статичної рівноваги зарядів, які пе-
реміщуються, щодо електричного поля називається релаксаційною
поляризацією.
151
Електронно-релаксаційна поляризація виникає вна-
слідок збудження теплової енергією (дефектних) електронів або і;
дірок.
Електронно-релаксаційна поляризація проявляється в діелект-
ричних матеріалах з високим показником заломлення, великим >
внутрішнім полем і електронною провідністю. Наприклад, діоксид у’
титану з аніонними вакансіями і домішкою іонів Ті*3; діоксид тита-
ну, забруднений домішками Ва“2, 1ЧЬ+5, Са+2; деякі сполуки на основі
оксидів металів змінної валентності — титану, ніобію, вісмуту.
При електронно-релаксаційній поляризації діелектрична про- ф
никність може мати велике значення. Зі збільшенням частоти елек-
тричного поля діелектрична проникність титаномісткої кераміки у
зменшується. є
І о я я а поляризація — це зміщення різнойменних заряджених
іонів один відносно одного із положення рівноваги на відстань, мен-
шу гюстїйної кр11стал Іч них ґраток, у речовинах з іонними зв ’язками. ’
Вона встановлюється за малий, але все ж більший, ніж при елек-
тронній поляризації, час (10*13 .ДО'14 с). Іонна поляризація, як і ;
електронна, не пов’язана з втратами енергії і не залежить від частоти,
навіть інфрачервоного діапазону. Іонна поляризація характерна для
кристалічних діелектряків іонної структури з щільним упакуванням д
іонів; вона більша для тих речовин, де іони неміцно зв’язані один з
одним і несуть великі електричні заряди. І
Іонно-релаксаці йна поляризація властива іонним діелектрикам |
з порівняно слабким закріпленням структурних частинок (напри- |
клад, ізоляторний фарфор, нагрівостійка кераміка, лужне ізо-
ляційне скло). Вона супроводжується розсіюванням електричної
енергії і залежить від температури і частоти струму. 5
Дипольна поляризація полягає в повороті (орієнтації) ди- |
польних молекул у напрямку зовнішнього електричного поля. |
Більш чітко дипольну поляризацію можна пояснити не як |
безпосередній поворот полярних молекул під дією зовнішнього елек-
тричного поля, а як внесення цим полем деякої впорядкованості |
в положення полярних молекул, які безпосередньо ЗДІЙСНЮЮТЬ І
хаотичні теплові рухи. Отже, дипольна поляризація пов’язана з теп-
ловим рухом молекул і проявляється в газах, рідинах і аморфних
речовинах; у кристалах (при температурах нижче точки плавлення) ’-І
диполі молекул звичайно «заморожені», тобто закріплені на своїх |
місцях і не можуть орієнтуватися. З
Поляризованість при дипольній поляризації зменшується після |
зняття прикладеної напруги, тобто-має місце дипольно-релак-
саційна поляризованість. Остання спостерігається в полярних І
рідинах і твердих діелектриках, які містять полярні групи молекул .|
або відповідні радикали, здатні під дією поля орієнтуватися (напри- |
клад, совол, каніфоль, ізоляційні папери). |
152 1
М і г р а ц і й н а поляризація зумовлена наявністю в технічних
діелектриках провідних і непровідних включень і шарів з різною
провідністю.
При внесенні неоднорідних матеріалів в електричне поле вільні
електрони та іони починають переміщуватися (мігрувати) в межах
кожного включення і накопичуватись, створюючи поляризовані
області.
Процес міграційної поляризації порівняно повільний; він може
тривати секунди, хвилини і навіть години. Тому міграційна поляри-
зація звичайно спостерігається лише на низьких частотах.
Спонтанна (с а м о ч и н н а ) поляризація спостерігається у
діелектриків з доменною будовою, коли до прикладення зовнішнього
електричного поля в таких матеріалах вже є невеликі поляризовані
області. Зовнішнє поле орієнтує домени, вектори електричних
моментів яких орієнтовані хаотично і скомпенсовані в об’ємі
матеріалу. При цьому діелектрик поляризується.
При самочинній поляризації спостерігаються великі діелект-
ричні втрати і різко виражена залежність діелектричної проник-
ності від температури і напруженості електричного поля. Діелект-
рична проникність при цьому може досягати дуже високих значень
(до 100 000). Матеріали, що мають такий вид поляризації, назива-
ються сегнетодіелектриками (сегнетова сіль, титанат барію ВаТіО2,
титанат стронцію ЗгТіОз та ін.).
Резонансна поляризація проявляється в області надвисоких
частот у газів і твердих діелектриків з дефектами в кристалічній
структурі.
Залежно від механізму поляризації всі діелектрики можна
розділити на полярні і неполярні.
Полярні діелектрики складають групу матеріалів, що містять
постійні електричні диполі, здатні до переорієнтації в зовнішньому
електричному полі. В полярних діелектриках спостерігається елек-
тронна і дипольно-релаксаційна поляризація. Вони мають гірші елек-
тричні властивості порівняно з неполярними діелектриками і викори-
стовуються як електроізоляційні матеріали в області низьких частот.
Полярними є полівінілхлорид, епоксидні смоли, політрифтор-
хлоретилен (фторопласт-3), поліетилентерефталат (лавсан),
поліметилметакрилат (органічне скло) та ін.
Неполярні діелектрики складають групу матеріалів, які не
містять діелектричних диполеп та здатні до переорієнтації в зовніш-
ньому електричному полі. В неполярних діелектриках спостерігаєть-
ся, в основному, електронна поляризація. Вони використовуються
як високоякісні електроізоляційні матеріали в техніці високих і
надвисоких частот.
Неполярними є повітря, полістирол, поліетилен, політетрафто-
ретилен (фторопласт-4), бензол та ін.
153
5.2.2. Електропровідність діелектриків
За призначенням електроізоляційні матеріали не повинні про*
пускати електричний струм під дією прикладеної постійної напру-
ги. Але «ідеальних» непровідників не існує і всі електроізоляційні
матеріали, при прикладенні постійної напруги пропускають струм,
хоча й дуже незначний. Таким чином діелектричні матеріали мають
деяку електропровідність, пов’язану з направленим переміщенням
заряджених частинок (електронів, іонів, мол іонів).
Електрони утворюються при іонізації молекул речовини і спів-
ударяння заряджених частинок з поверхнею аноду. Іони створю-
ються при іонізації нейтральних молекул під дією зовнішніх фак-
торів (космічних променів, радіоактивного випромінювання та ін.)
і дисоціації основної речовини і домішок. Моліопи формуються в
колоїдних* системах.
Електропровідність діелектриків у більшості випадків має іон* і
ний характер, тобто носіями зарядів є іони.
Електропровідність діелектриків оцінюється питомим елект-
ричним опором постійному струму, Ом-м:
Р - 1/ї. (42)
де у — питома електрична провідність, См/м.
При вмиканні діелектрика в коло постійної напруги виникає
різкий стрибок струму, а потім зменшення його до постійного зна-
| чення. Це постійне значення називається струмом наскрізної
{провідності 7пгн-к.
С п ад а ю ч и й з часом струм, зумов лей и й перероз п од і л ом вільних
зарядів, прийнято називати абсорбційним Іаб.
Струм, супутній! електронній та іонній поляризації, називають
струмом зміщення; його миттєве значення позначають 7ЗМ.
Таким чином, струм, що проходить крізь діелектрик, становить
суму струмів зміщення 73м, абсорбції 7аб і наскрізного 7паск:
7 ~ 7зм + 7аб + 7наск- (43)
Оскільки абсорбційний струм швидко затухає, електро-
провідність ізолювальних матеріалів при постійній напрузі визна-
чається за наскрізним струмом:
§ = 7наск/І7, (44)
де 7Наск = 7 - /зм - 7аб - струм наскрізної провідності;
7 — загальний струм, А;
V — прикладена напруга, В.
*Колоїди (від грец. коІа — клей + еідоз — вид) — дисперсні системи,
проміжні між істшпшмп розчинами і грубодисперснпми системами — сус-
пензіями та емульсіями.
154
При визначенні електропровідності діелектрика необхідно
виміряти струм, КОЛИ /зм + Ліб = 0.
Залежно від конструкції радіотехнічних виробів прийнято
розрізняти питомий об’ємний електричний опір рг і питомий по-
верхневий електричний опір р5.
ГІ и томи й об’ємний е л е к т р и ч н и й опір визначає
властивості Ізоляції, коли основні витоки струму проходять
через об’єм матеріалу, наприклад, в екрановано.му електричному
проводі.
Питомий об’ємний електричний опір рг чисельно дорівнює опо-
ру зразка мінералів у вигляді кубика з ребром одиничних розмірів,
коли напруга прикладається до двох його протилежних граней. Для
плоских зразків:
(45)
де Кг — об’ємний опір зразка постійному струму, Ом;
5 — площа електродів, які контактують з випробуваним зразком, м2;
Ь — товщина зразка, м.
П ито мий поверхИЄВIIЙ ел е к т рИ Ч II И Й опір р.ч є
найважливішою характеристикою при оцінці електроізоляційних
матеріалів у таких деталях, як лінійні ізолятори.
Питомий поверхневий електричний опір р$ чисельно дорівнює
опору зразка матеріалу у вигляді квадрату зі стороною одиничних
розмірів при проходженні струму крізь дві його протилежні
сторони:
р.у " (46)
де — поверхневий о нір матеріалу зразка, що знаходиться між електрода-
ми, Ом;
/ -- довжина електродів;
к — відстань між електродами, м.
Питомий об’ємний і поверхневий електричні опори твердих
діелектриків залежать від температури, вологості і величини при-
кладеної напруги.
Електропровідність діелектриків залежить від вмісту домішок.
Чим вищий вміст домішок, тим менший питомий об’ємний елект-
ричний опір матеріалу
Напруженість зовнішнього поля впливає на електропровідність
діелектрика тільки в області полів, близьких до пробивних.
Електропровідність багатьох ізоляційних матеріалів залежить
не тільки від будови і хімічного складу, але й від технології їх виго-
товлення. Наприклад, провідність синтетичних смол залежить від
ступеня полімеризації каучуків — вулканізації, синтетичних смол.
155
Поверхнева електропровідність твердих діелектриків визначаєть-
ся наявністю в них адсорбованих вод но-колоїдних плівок. Щодо води,
то ізоляційні матеріали поділяються на гідрофобні* та гідрофільні**.
До гідрофобних матеріалів відносять, наприклад, віск, янтар, полі-
стирол та ін. їхня поверхнева провідність незначна і не залежить від
вологості повітря. До гідрофільних матеріалів відносять електроізо-
ляційні стекла, мармур, папір, багато видів пластмас, у яких елект-
ропровідність залежить від вологості навколишнього середовища.
5.2.3. Діелектричні втрати в діелектриках
Діелектричні втрати пов’язані з складними явищами, що виника-
ють у матеріалі при дії на нього електричного поля. Вони проявляють-
ся при постійному і змінному струмі. Проте якість діелектрика при
постійному струмі звичайно характеризується не діелектричними
втратами, а питомим об’ємним і поверхневим опором.
Під впливом електричного поля на будь-яку речовину частина
споживаної ним електричної енергії перетворюється в теплову і роз-
сіюється. Розсіяну частину поглинутої діелектриком електричної
енергії називають діелектричними втратами.
У діелектрику, розміщеному в елект-
ричному полі з напруженістю Е і кутовою
частотою св, виникають струм зміщення і
струм провідності (рис. 5.2). Кут б між
векторами густини змінного струму діелек-
трика у і струму зміщення /зм на комп-
лексній площині називають кутом діелек-
тричних втрат. Тангенс цього кута є од-
ним з найважливіших параметрів не тільки
діелектриків, але також і конденсаторів,
ізоляторів та інших електроізоляційних
матеріалів. Тангенс кута діелектричних
втрат визначає активну потужність, яка
втрачається у діелектрику, що працює під
змінною напругою. Він виражається
відношенням густини струму провідності
/пр до густини струму зміщенняУз.м:
5 (47)
Рис. 5.2. Векторна діаграма
густини струму в діелектрику:
й — кут зсуву сумарного струму
відносно струму ідеального'ді-
електрика; д — кут зсуву фаз між
струмом і напругою; Дзм — гус-
тина струму зміщення; Лпр —
густина струму провідності;
— густина загального струму
*Гідрофобність (від грец. рЬоЬоз — страх, боязнь; буквально те, що
боїться розчинення) — властивість речовин, матеріалів слабко взаємодіяти
з водою ( не змочуватися).
** Гідрофільність (від грец. ркіїео — люблю; буквально те, що любить
розчинення ) — властивість речовин, матеріалів інтенсивно взаємодіяти з
водою (змочуватися).
156
Введення безрозмірного параметру 5 зручно, оскільки він не
залежить від форми і розмірів ділянки Ізоляції, а визначається
лише властивостями діелектричного матеріалу. Чим вище тангенс
кута діелектричних втрат 5, тим більше нагрівання діелектрика в
електричному полі заданої частоти і напруги.
Дослідженнями встановлено, що при підвищені температури
тангенс кута діелектричних втрат 5 підвищується (в усякому разі
в широкому діапазоні температур).
При підвищені частоти тангенс кута діелектричних втрат 5
зменшується (при со -* 5 0).
У гігроскопічних електроізоляційних матеріалів тангенс кута ді-
електричних втрат 5 суттєво збільшується при збільшенні вологи.
Важливе практичне значення має залежність тангенса кута
діелектричних втрат 1$ 5 електричної ізоляції від прикладеної до
неї напруги. Така залежність спостерігається не завжди. Інколи, в
деяких інтервалах напруг значення 6 незмінне, а при збільшення
напруги до величини початку іонізації включень повітря або інших
газів в ізоляцію 6 починає зростати. Тому робоче значення напру-
ги ізоляції повино бути нижче напруги при якій виникає іонізація.
Високоякісною вважають таку ізоляцію, в якої напруга іонізації
більш висока.
5.2.4. Пробій діелектриків
Електрична ізоляція ке може витримувати прикладену до неї
необмежено високу напругу, так як це призведе до її пробивання.
Явище утворення в діелектрику провідного каналу під дією елект-
ричного поля називають пробоєм. Якщо провідний канал проходить
від одного електрода до іншого і замикає їх, виникає повний пробій.
При частковому пробої пробивається лиш газове або рідке вклю-
чення твердого діелектрика.
У твердих діелектриках крім пробою за об’ємом можливий
пробій на поверхні, такий пробій називають поверхневим.
Мінімальна напруга, яка спричиняє пробій діелектрика, називаєть-
ся пробивною напругою (Дір. Пробивна напруга НПр збільшується зі
збільшенням товщини діелектрика А. Одна й та ж товщина різних ма-
теріалів має різне значення пробивної напруги /7пр. Для характерис-
тики здатності матеріалу протистояти руйнуванню в електричному
полі використовують напруженість електричного поля, при якій вини-
кає пробій, мВ/м:
&пр = ІЛтр/й, (48)
де Ппр — величина позитивної до діелектрика напруги, за якої виник
пробій, кВ;
/? — товщина матеріалу в місці пробою, м.
157
Напруженість однорідного електричного поля, що призводить
до пробою, називають електричною міцністю.
Для надійної роботи будь-якого електротехнічного пристрою
робоча напруга броб його ізоляції повинна бути суттєво меншою
пробивної напруги £/пр. Відношення пробивної напруги до робочої
напруги (17пр/ броб) називається коефіцієнтом запасу електричної
міцності ІЗОЛЯЦІЇ.
За фізичною сутністю розвитку пробою розрізняють електрич-
ний, електрете пл о вий, електромеханічний, електрохімічний та
іонізаційний пробій.
Електричний пробій — це безпосереднє руйнування структури
діелектрика силами електричного поля, які діють на електричні
заряджені частини в діелектрику. Цей вид пробою розвивається
практично миттєво.
Електротепловий пробій пов’язаний із нагрівом ізоляції в елек-
тричному полі діелектричними втратами. При прикладені напруги ?
до діелектрика в ньому виділяється теплота втрат і температура йо-
го підвищується, внаслідок чого втрати ще більше збільшуються.
Цей процес все підсилюється і, в кінці кінців, діелектрик може
сильно змінитися (розплавитися, обвуглитися тощо) і його власна
електрична міцність знизиться настільки, що виникне пробій.
Електромеханічний пробій підготовлюється механічним руйну-
ванням матеріалу (утворенням макроскопічних щілин) силами
електричного поля (тиском електродів).
Електрохімічний пробій — це вид пробою пов’язаний з хімічни-
ми змінами матеріалу в електричному полі. Цей вид пробою розви-
вається повільно.
Іонізаційний пробій пояснюється діями на діелектрик хімічно
агресивних речовин, які утворюються в газових порах діелектрика
при часткових розрядах.
Механізми пробою газоподібних, рідких і твердих діелектриків
мають суттєві відмінності,
5.3. МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
При виборі діелектричного матеріалу в кожному конкретному'
випадку слід враховувати не тільки електричні властивості (віднос-
ну діелектричну проникність £, питомий електричний опір р, тан-
генс кута діелектричних втрат б, електричну міцність Епр), але й
механічні.
Пружність. На матеріли можуть діяти зосереджені і розподілені
навантаження, які викликають в них механічні напруження о/. Під
дією останніх матеріал деформується. При невеликих механічних
напруженнях виконується закон Гука, який встановлює лінійну
залежність між механічними напруженнями о/ і відносною дефор-
мацією хі. У таких випадках після зняття навантаження форма зразка
відновлюється.
Міцність. Закон Гука справедливий тільки до визначеного зна-
чення а/. З деякого значення механічного напруження а/ дефор-
мація зростає швидше, ніж за лінійним законом. Виникає холодна
пластична текучість металу, і після зняття напруження форма
зразка не відновлюється. Напруження аг називають границею
текучості.
Подальше підвищення механічного напруження призводить до
руйнування зразка при напруженні аМщ, яке називається границею
міцності.
Міцність матеріалів характеризують границями міцності при
розтягуванні ар, стисненні оСт і згину Озг. Границі міцності вимірю-
ються в одиницях механічного напруження — паскалях (Па).
Границя міцності матеріалу при розтягуванні, Н/м:
ар “ Рр/5о, (49)
де Рр — руйнівне зусилля при розтягуванні (розриві) зразка матеріалу, Н;
8о — площа поперечного перерізу зразка матеріалу до випробування, м2.
Границя міцності матеріалу при стисненні, Н/м:
аст = РСт/8о, (50)
де Рст — руйнівне зусилля при стисненні зразка матеріалу, П;
бо — площа поперечного перерізу зразка до випробування, м2.
Границя міцності матеріалу при статичному згині, Н/м2:
а;п- = 1,5РзгЬ//^2, (51)
де Р:м- — руйнівне зусилля, прикладене посередній зразка при згині, Н;
І — відстань між опорами, на яких розміщується зразок під час випробову-
вання, м;
Ь — ширина зразка, м;
її —товщина зразка, м.
Механічна міцність залежить від типу зв’язків молекул речови-
ни: вона максимальна в кристалах з ковалентним зв’язком і
мінімальна в кристалах з молекулярним зв’язком.
Для металів всі три границі міцності близькі, а для діелектриків
можуть значно відрізнятись: аСт » ар, азг.
Матеріали, в яких пластична деформація не спостерігається і зра-
зок руйнується (наприклад, скло, кераміка), називаються крихкими.
Для таких матеріалів справедливе рівняння оміц - аг Крихкі матері-
али легко руйнуються під дією вібрацій і динамічних навантажень.
Матеріали, в яких ділянка пластичної деформації аг - аМщ ду-
же широка, називаються пластичними.
159
В’язкість. В’язкість властива матеріалам, які знаходяться у
рідкому агрегатному стані; вона характеризує опір їх витіканню.
Розрізняють динамічну ид і кінематичну пк в’язкості. Динамічна
в’язкість вимірюється в паскалях, помножених на секунду (Па-с).
Кінематична в’язкість визначається відношенням динамічної в’яз-
кості ??д до густини рідини £) і вимірюється в квадратних метрах на
секунду (м2/с).
В’язкість значно зменшується з підвищенням температури. Це
особливо важливо для заливальних і просочувальних електроізоля-
ційних матеріалів. Заливання таких матеріалів виконують у нагріто-
му стані, коли вони можуть швидко заповнити найменші отвори.
5.4. ТЕПЛОВІ ВЛАСТИВОСТІ
До основних теплових властивостей діелектрика відносять
нагрівостіякість, теплостійкість, теплове розширення і холодо-
стійкість (морозостійкість).
Н а г р і в о с т і її к і с т ь — це здатність діелектрика функціону-
вати при підвищене їх температурах або при різкій зміні температур
без недопустимого погіршення його властивостей.
Залежно від виду матеріалу і умов його експлуатації тривалий
або короткочасний вплив підвищеної температури викликає у
діелектрику різні зміни. Наприклад, залежно від температури
лінійні полімери можуть знаходитись у склоподібному, високоела-
стичному або в’яз коте кучому стані. В інших випадках результатом
впливу підвищеної температури є поява великих залишкових на-
пружень, які порушують форму виробу або погіршують його ме-
ханічні властивості. Еластичність лакових покриттів, наприклад,
при тривалому нагріванні різко знижується.
У деяких матеріалів при нагріванні можуть спостерігатись
хімічне розкладання, інтенсивне окпснення, звуглення і навіть
горіння. Крім погіршення якості ізоляційних властивостей, які
проявляються при підвищенні температури, при тривалому впливі
підвищеної температури можуть спостерігатись зміни в результаті
повільно протікаючих хімічних процесів — теплового старіння
ізоляції. Старіння трансформаторного масла проявляється утво-
ренням продуктів окпснення, лакових плівок — підвищенням
крихкості, утворенням тріщин і відшаруванням від підкладки.
Теплове старіння прискорюється при освітленні зразка ультра-
фіолетовими променями, впливі електричного поля, механічних
навантажень та ін.
Нагрівостійкість визначається тією температурою, при якій
виникає недопустима зміна експлуатаційних характеристик ді-
електрика.
160
Одним із найпоширеніших методів оцінки пагрівостійкості
електроізоляції!них матеріалів є визначення теплостійкості за Мар-
те псом. Зразки, до яких були прикладені згинальні зусилля 5 МПа,
розміщують у термостаті і нагрівають зі швидкістю 1 К/с. Темпера-
тура, при якій зразок прогнеться на 6 мм від початкового положен-
ня або зламається, становить теплостійкість за Мартенсом.
Теплостійкість за Мартенсом для деяких діелектриків така:
75...90°С — для полістиролу, 80...90°С — для поліетилену,
15О...2ОО°С — для склотекстоліту.
Для електроізоляційних матеріалів встановлено сім класів
нагрівостійкості і відповідна їм максимальна робоча температура.
Класи нагрівостійкості електроізоляційних матеріалів наведені
в табл. 5.1.
Таблиця 5.1
Класи нагрівостійкості електроізоляційних матеріалів
Клас нагріво- стійкості Гранично допустима робоча температура, Гроб, °С Діелектрики
¥ 90 Органічні діелектрики; ііс просочені волокнисті ма- теріали на основі целюлози і шовку (деревина, напір, картон, ф і б ра, н ря жа); п ол і ст и рол, і юл іет і їло і і
105 Ті ж волокнисті матеріали, але просочені поліамід- ними с,молами, масляпо-смоляиистими і полівініл- ацетатиііми лаками
Е 120 Шаруваті пластики (готинакс, текстоліт), пластл(а- си з органічним наповнювачем
В 130 Матеріали з великим вмістом неорганічних компо- нентів (скло, тканина, склотекстоліт)
Г 155 Матеріали на основі слюди, скловолокна, азбесту в сполученні зі зв’язувальними підвищеної ма- грівостіякості (кремнійоргаїпчпих, епоксидних засобів)
1-І 180 Крем ні йор ган ічні лаки, гуми, композиційні матеріа- ли із слюди, азбесту, склеєних за допомогою иагрі- востійких кремиійорганічних смол
С Понад 180 Неорганічні матеріали без склеювальних або просо- чувальних органічних сполук (слюда, скло, кварц, азбест); із органічних — тільки фторопласт-4 і поліаміди
У діелектриків кристалічної будови (слюда, парафін та ін.) пе-
рехід з твердого в рідкий стан виникає при чітко вираженій темпе-
ратурі плавлення Діл. У аморфних діелектриків (смоли, бітум та ін.)
6 «ЕлектроматерІалознавстзо»
161
перехід з твердого стану в рідкий відбувається поступово (в широ-
кому інтервалі температур) і характеризується температурою
рОЗМ’яКІПеїШЯ Гроз.
При певній концентрації пари деяких електроізоляційних рі-
дин спалахують. Температура, при якій суміш парів з повітрям спа-
лахує від внесеного полум’я пальника, називається температурою
спалаху парів.
Теплопровідність — це здатність діелектрика проводи-
ти теплоту. Теплота, що виникає при проходженні електричного
струму в провідниках, оточених діелектричними ізоляторами, пере-
дається ізолятору. Внаслідок діелектричних втрат теплота виділя-
ється в самому ізоляторі. Сумарні теплові втрати провідника та
ізолятора передаються в довкілля. Від здатності ізоляції проводити
теплоту залежить нагрівання провідника та електрична міцність
ізоляції.
Особливе значення має теплопровідність порівняно товстої ізо-
ляції в установках високої напруги. Кількісно теплопровідність
оцінюється коефіцієнтом теплопровідності ут, який визначається
кількістю теплоти, що пройшла крізь одиницю площі в одиницю
часу при градієнті* температури 1 К/м.
Орієнтовні значення коефіцієнта теплопровідності деяких ма-
теріалів наведені в табл. 5.2.
Таблиця 5.2
Орієнтовні значення коефіцієнта теплопровідності
деяких матеріалів
Матеріал Ут. Вт/(м К) Матеріал ут, Вт/(м К)
Повітря 0,05 Нітрит бору ВМ:
(в малих зазорах) за напрямком гарячого 19
Полістирол 0,08...0,16 пресування
Папір 0,10 перпендикулярно напрям- ку гарячого пресування 37
Ла котка вина 0,13 Оксид берилію ВеО 218
Гетинакс 0,35 Алюміній АІ 226
Фарфор 1,6 Мідь Си 290
Графіт 18 Кварцове скло 1,16
Оксид алюмінію АІ7О3 25...30 Фторопласт-4 0,23...0,24
Залізо 68 Вініпласт 0,17
*Міра зростання або спадання в просторі фізичної величини на одини-
цю довжини (від латин. §гасііеп5 — крокуючий, який іде).
162
Більшість діелектриків мають значення коефіцієнта теплопро-
відності ут набагато менше, ніж провідникові матеріали. Близький
до провідникових матеріалів коефіцієнт теплопровідності мають
деякі оксиди металів (АІ2О3, М^О, ВеО). Коефіцієнт теплопровід-
ності у оксиду берилію вищий, ніж у металевого берилію. Найменше
значення коефіцієнта теплопровідності мають пористі діелектри-
ки з газовими включеннями. Для підвищення їх теплопровідності
використовують просочування або ущільнення матеріалу під
тиском.
Для оцінки теплопровідності, крім коефіцієнта теплопровід-
ності у т, ви кор пстову ют ь також тем пер ату р о про ві д пість:
А = ут/сР,
(52)
де с — питома теплоємність, Дж/(кг-К);
[) — густина матеріалу, кг/мА
Теплове розширення — це властивість діелектрика
змінювати свої лінійні розміри під дією температури. Теплове
розширення оцінюється температурним коефіцієнтом лінійного
розширення ТК1.
Середнє значення температурних коефіцієнтів лінійного роз-
ширення ТК1 наведені в табл. 5.3.
Таблиця 5.3
Температурний коефіцієнт лінійного розширення діелектриків
Матеріал ТК/-10'6 К'1 Матеріал ТК/-10'6 К’1
Органічні матеріали: полівінілхлорид 160 Пеорга п Іч п і матер іал 11: слюда мусковіт (вздовж 13... 14
поліетилен 145 шарів спайності)
фторопласт-4 100 скло 9,0
органічне скло 70 фарфор 3,5
полістирол 68 кварцове скло 0,55
X о л о д о с т і п к і с т ь — це здатність електричної ізоляції
працювати при низьких температурах без недопустимого погіршен-
ая експлуатаційних характеристик.
При зниженні температури електроізоляційні властивості
діелектриків, як правило, підвищуються. Проте ряд механічних
властивостей може погіршуватись. Органічні діелектрики в області
низьких температур розтріскуються і втрачають гнучкість.
Орієнтовні значення гранично допустимих низьких робочих
температур деяких діелектриків: -269°С для фторопласту-4;
-5О...6О°С для лавсану; ~40...70°С для поліетилену; -40°С для
полістиролу; -20°С для капрону; ~5...15°С для поліпропілену.
6*
163
5.5. ВОЛОГОЄМНІСШ ВЛАСТИВОСТІ
Всі ізолювальні матеріали поглинають вологу. Розмір молекули
води приблизно 2,7-10'9 м, що дозволяє їй проникати навіть у пори
таких діелектриків, як скло.
Інтенсивність і кількість' проникаючої в матеріал вологи зале-
жить, в основному, від складу і будови матеріалу. Чим вища хімічна
спорідненість молекул води та ізоляційного матеріалу, тим силь-
ніше їх взаємодія і вище вологопоглинання. Наявність пор, які кон-
тактують з атмосферою, призводить до зниження вологостійкості
матеріалу, щільна структура якого утруднює проникнення води і
п ідв ищує вологості й к і ст ь.
Нанесення лакофарбних покриттів, просочення лаками, масла-
ми і компаундами, опресування пластмасами підвищують воло-
гостійкість матеріалу, але повністю не виключають проникнення
вологи в нього. В композитних конструкціях критичними до про-
никнення вологи в об'єм є місця спряження матеріалів з різними
термомеханічними властивостями (спаї скла з металом, кераміки з
металом, пластмаси з металом).
Вологостійкість— це здат-
ність матеріалу зберігати
свої експлуатаційні вла-
стивості при дії вологи.
Тверді матеріали
мають різну здатність
змочуватись водою, на-
а б
Рис. 5.3. Крапля рідини на змочуваній {а)
і позмочуваній (б) поверхнях
несену на поверхню тіла (рис. 5.3). Чим менше кут змочування
тим сильніше виражена змочуваність матеріалу. Для змочуваних
матеріалів/ < 90° (рис. 5.3, а), для иезмочуваниху > 90° (рис. 5.3, б).
Вологоємнісні властивості діелектриків визначаються гігроскопіч-
ністю (воло гопо глипанням), водопоглинанням І волого проникністю.
Гігроскопічність. Електроізоляційний матеріал, який знахо-
диться в умовах вологості довкілля, поступово поглинає вологу з
повітря. Здатність матеріалу поглинати водяні пари з навколиш-
ньої атмосфери називають гігроскопічністю.
Гігроскопічність матеріалів залежить від їх будови і хімічної
природи. Матеріали, що містять капіляри, в які може проникати во-
лога, більш гігроскопічні, ніж матеріали щільної будови. Матеріали,
які не мають пор, наприклад, кераміка і скло, накопичують погли-
нуту із довкілля вологу на своїй поверхні у вигляді тонкої плівки.
Ця волога не проникає в глибину матеріалу, і такі матеріали мають
тільки поверхневу гігроскопічність.
Підвищення вологості, як правило, погіршує електричні власти-
вості діелектриків (питомий електричний опір р, електричну
міцність Епр, діелектричну проникність є, тангенс кута діелектричних
втрат ї£б). Одна і та ж кількість поглиненої вологи по-різному впли-
ває на електроізоляційні властивості матеріалів. Якщо поглинена во-
лога здатна утворити всередині ізолятора області, які пронизують
весь проміжок або значну частину проміжку між електродами, то
навіть мізерна кількість поглиненої вологи призведе до різкого
погіршення електричних властивостей ізоляції. Коли ж волога роз-
поділяється по об’єму електроізоляційного матеріалу у вигляді окре-
мих, не з’єднаних між собою, невеликих включень, то вплив волога
на електричні властивості матеріалу менш істотний.
Для незмочуваних матеріалів зменшення поверхневого питомого
електричного опору р5 при витримці у вологому середовищі незначне,
оскільки волога навіть у вигляді роси утворює на їх поверхні окремі
краплі, а не суцільну водяну плівку. Найбільш помітне погіршення
електричних властивостей спостерігається у пористих матеріалів.
Анізотропні матеріли всмоктують вологу в різних напрямках з різною
швидкістю. Так, у шаруватих пластиках волога з великою швидкістю
поширюється вздовж шарів, а в дереві — вздовж волокон.
Гігроскопічность ІКг визначається відношенням маси зволоже-
ного зразка до його початкової маси:
= 2-.....-100%, (53)
де пц — маса сухого зразка, г;
И2 — маса зразка після витримування його в умовах відпоєної вологості
96...98%, г.
Для оцінки гігроскопічності зразки твердих діелектриків вису-
шують і поміщають в атмосфері з відносною вологістю 96...98%
при нормальній температурі на 24...48 год. Після витримування
зразки зважують і визначають збільшення маси до початкової маси.
Водопоглинання. Інколи електроізоляційні матеріали стикають-
ся не тільки з повітрям, що містять пари води, але й безпосередньо
з водою. В таких умовах функціонує ізоляція відкритих установок,
які піддаються дії атмосферних опадів; ізоляція радіоелектронної
апаратури на кораблях або ізоляція деталей в насосах.
Водопоглинання — це здатність матеріалу поглинати воду. Во-
допоглинання ІЕв визначається відносним приростом маси зразка
після витримування його в воді протягом 24 год:
- лц
тЛ
11^ =
100%,
(54)
де — маса зразка після витримування у воді, г;
т\ — маса зразка в початковому стані, г.
Вологопроиикність. При оцінюванні захисних покриттів вели-
ке практичне значення має вологопроиикність, тобто здатність
матеріалу пропускати крізь себе пари води.
164
165
Більшість матеріалів пропускають воду; тільки для стекол, доб-
ре випаленої кераміки і металів вологопроникність дорівнює нулю.
Вологопроникність:
(р2-Рі)57
11 — а ; ,
п.
(55)
де 77— маса пароподібної води, що проходить у стаціонарному режимі че-
рез ділянку поверхні матеріалу товщиною А і площиною 5за час і під дією
різниці тисків водяних парів до і після проходження зразка (р2 —рі);
а — коефіцієнт воло гоп ропи киості. який залежить від температури і вибо-
ру системи одиниць кг/(м-с-Па) = 1 с;
рі — парціальний тиск водяної пари у повітрі з одного боку зразка;
рч — парціальний тиск водяної пари у повітрі з іншого боку зразка.
5.6. ФїЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
До основних фізпко-хімічних властивостей відносять кислотне
число, розчинність, хімостійкість, світлостійкість і радіаційну стійкість.
Кислотне число визначається кількістю міліграмів (мг) їдкого
калію (КОН), необхідного для нейтралізації вільних кислот, що
містяться в 1 г діелектрика. Воно визначається у рідких діелектри-
ках, компаундах і лаках. Кислотне число дозволяє оцінювати
кількість вільних кислот у діелектрику, які погіршують електроізо-
ляційні та інші властивості діелектриків.
Розчинність. Різці матеріали при стиканні один з одним у про-
цесі виготовлення або експлуатації виробів можуть частково або
повністю проникати один в одипй. Такий перехід називають роз-
чинністю. Ця властивість важлива для підбирання розчинників
лаків або для оцінки стійкості електроізоляційних матеріалів проти
дії різних рідин, з якими вони контактують.
Розчинність твердих матеріалів можна оцінити двома способами:
за кількістю матеріалу, що перейшов у розчин в одиницю часу з
одиниці поверхні матеріалу;
за найменшою кількістю речовини, яка може бути розчинена в
даному розчиннику, тобто за концентрацією насиченого розчину.
Розчинність матеріалів значно підвищується із підвищенням
температури і зменшується з підвищенням ступеня поляризації.
Найлегше розчиняються речовини, які близькі до розчинника за
хімічною природою і в молекулах яких є подібні угруповування
атолеів. Полярні речовини легше розчиняються в полярних рідинах.
Наприклад, полярні фенолформальдегідні смоли розчинюються в
спирті та інших полярних розчинниках, неполярні вуглеводи
(парафін, каучук) — у рідких вуглеводах.
Хімостійкість. При стиканні з хімічно активними речовинами
(газами, водою, кислотами, лугами і соляними розчинами) електро-
ізоляційні матеріали можуть вступати з ними в хімічну взаємодію і
166
руйнуватись. Хімостійкість — це здатність електроізоляційних
матеріалів протистояти хімічно активним речовинам.
Для визначення хімостій кості зразки матеріалів розміщують у
середовищі, близькому до експлуатаційного або більш інтенсивного
за концентрацією хімічно активних елементів і несприятливе за тем-
пературними умовами, і витримують відповідний час. Після цього
визначають зміну маси, зовнішнього вигляду та інших показників.
Для масел, смол вимірюють кислотне число, яке характеризує вміст
у матеріалі вільних кислот (наприклад, позначення: 0,5 г КОН/кг).
Ця величина визначає технологічні особливості матеріалу і його
здатність викликати корозію тіл, що з ним стикаються. В трансфор-
маторному маслі високе кислотне число є ознакою поганого очи-
щення при виготовленні або ознакою його старіння.
Світлостійкість. Здатність матеріалів зберігати свої експлуата-
ційні характеристики під дією світлового опромінювання назива-
ється світлостійкістю.
Світлові і, особливо, ультрафіолетові промені можуть викликати
фотопровідність, хімічні зміни в деяких органічних матеріалах, а
також стимулювати процеси, які погіршують їх механічну міцність
та еластичність. Під дією світлового опромінювання також приско-
рюється старіння електроізоляційних матеріалів.
Радіаційна стійкість. Здатність діелектрика зберігати свої екс-
плуатації і ні характеристики при взаємодії Іонізуючого випроміню-
вання називається радіаційною стійкістю.
До іонізуючого випромінювання відносять:
корпускулярне випромінювання ( швидкі та повільні нейтрони,
осколки ядер, а- і (З-частинкп), одиницями вимірювання яких є рад
і Дж/кг (1 рад = 0,0 і Дж/кг);
хвильове випромінювання (у-промені, жорстке і м’яке рентге-
нівське випромінювання), одиницями вимірювання якого є рентген
Р і Кл/кг (1. Р = 2,584(Н Кл/кг).
Вплив випромінювання може призвести до низки молекуляр-
них перетворень і хімічних реакцій, які призводять до зміни всіх
властивостей матеріалу: електричних, механічних, фізико-хімічних.
Найбільш вразливі до дії випромінювання органічні діелектрики,
оскільки в результаті тривалого або інтенсивного випромінювання
може виникнути руйнування будь-якого полімеру. Неорганічні
діелектрики, такі як кварц, слюда, оксиди берилію і цирконію менш
вразливі до впливу випромінювання.
Часто радіаційну стійкість виражають загальним числом радіоак-
тивних часток, які потрапляють на одиницю площини речовини і вик-
ликають помітне погіршення його основних характеристик, наприклад,
нейтрон/м2. Багато діелектриків витримують дозу опромінення до 1022
нейтронів/м2, для порівняння гранично допустима доза випроміню-
вання для напівпровідникових матеріалів і приладів 1018 нейтрон/м2.
167
5.7. ТВЕРДІ ОРГАНІЧНІ ДІЕЛЕКТРИКИ
До органічних діелектриків відносять матеріали, до складу яких
входить вуглець.
В якості органічних діелектриків у промисловості використову-
ють природні і синтетичні полімери, які одержують методом
хімічного синтезу (часто їх називають смолами).
Відкриття синтетичних полімерів зіграло велику роль у розвит-
ку багатьох галузей, в тому числі електротехніки і радіоелек-
троніки.
Більшість органічних діелектриків — це високомолекулярні
речовини, які містять дуже велике число атомів або найпростіших
молекул. Основу багатьох високомолекуляриих діелектриків скла-
дають полімерні сполуки, які отримують з мономерів (низькомоле-
кулярні сполуки) в процесі реакції полімеризації або поліконденсації.
Полімеризація — це процес сполучення великої кількості моно-
мерів з утворенням нової високомолокулярної речовини (поліме-
ру) без виділення побічних продуктів реакції.
Поліконденсація — це процес сполучення різнорідних мономерів
з утворенням полімеру і виділенням побічного продукту.
Властивості полімерів визначаються хімічним складом, взаєм-
ним розміщенням атомів і будовою макромолекул. За будовою
макромолекули полімерів поділяються на лінійні (ниткоподібні) і
просторові (сітчасті).
Ліні й н і полімери — це сполучення лапок однієї визначеної
структури. Сполучення двох або трьох хімічно різних ланок утво-
рюють полімери, які називають суміщеними, або суполімерами.
Лінійні полімери відносяться до термопластичних матеріалів.
Вони мають такі властивості: температура розм’якшення 5О...12О°С,
порівняно високий температурний коефіцієнт об’ємного розширен-
ня ТКР, невисока теплостійкість, легко деформуються при нагріванні
і твердіють при охолодженні, мають аморфну структуру і при
нагріванні плавно переходять із твердого стану в рідкий або текучий.
Електричні властивості лінійних полімерів залежать від розмі-
щення атомів або певної груші атомів у колі макромолекули. Лінійні
полімери з несиметричною будовою атомів полярні і мають великі
діелектричні втрати. Лінійні полімери з симетричною будовою мо-
номерів є неполярними і мають малі діелектричні втрати.
Більшість матеріалів на основі лінійних полімерів мають аморфну
структуру і при нагріванні плавно переходять з твердого стану в
рідкий або текучий. Деякі полімери схильні до утворення крис-
талів, тобто здатні кристалізуватися.
У п р о с т о р о в и х полімерів макромолекули зв’язані попе-
речними хімічними зв’язками. Просторові полімери відносяться до
термореактивних матеріалів. Вони мають такі властивості: більша
168
жорсткість, ніж у лінійних полімерів; при нагріванні не розм’як-
шуються; не гнучкі; не здатні утворювати плівки і волокна; не
розчинюються в розчинниках.
За тепловими властивостями полімери поділяються на термо-
пластичні і термореактивні.
Термопластичні матеріали (тсрмопласти) характеризу-
ються тим, що нагрівання до температури, яка відповідає пластич-
ному стану, не викликає незворотних змін їх властивостей. Вони
тверді при достатньо низьких температурах, але при нагріванні
стають пластичними і легко деформуються.
Останнім часом термопластичні матеріали складають приблизно
75% усіх споживаних електротехнічною промисловістю полімерних
матеріалів.
У т е р м о р е а к т и в н и х (термозатверджувальних) матеріа-
лах за достатньої витримки при високій температурі виникають
незворотні пронеси, в результаті яких вони втрачають здатність
плавитися І розчинюватися, стають твердими і механічно міцними.
5.7.1. Полімеризаційні синтетичні полімери
Полімеризаційні синтетичні полімери одержують у процесі
полімеризації під дією теплоти, тиску, ультрафіолетових променів,
а також ініціаторів і каталізаторів. При полімеризації подвійні та
потрійні зв’язки мономерів розриваються і молекули, з’єднуючись
між собою, ще більше подовжуються.
Найчастіше застосовують блочний, емульсійний, лаковий і
газовий способи полімеризації. Блочний спосіб полімеризації поля-
гає в тому, що попередньо очищений від домішок рідкий мономер
змішують з каталізатором, заливають у нагріту до певної темпера-
тури форму і витримують при цій температурі до повного закінчен-
ня процесу полімеризації. В результаті одержують тверді блоки
матеріалу, які надходять на подальшу переробку.
Таким способом виготовляють полістирол і пол (метилметакри-
лат (оргскло).
Е м у л ь с і й н и й спосіб полімеризації — це процес, при якому
первинний рідкий мономер за допомогою емульгатора* перетворю-
ють у найдрібніші краплі, завислі в іншій рідині, яка не розчиняє
цей мономер (вода, бензин та ін.). В одержану емульсію** вводять
ініціатор*** і масу нагрівають до температури, при якій почи-
* Речовина, яка сприяє утворенню емульсії; емульгаторами є мила, же-
латини і багато інших синтетичних речовин.
**Рідпна, в якій в завислому стані знаходяться мікроскопічні краплі
іншої рідини.
***Зачинатель ланцюгової хімічної або ядерної реакції в результаті
зовнішнього впливу на систему.
169
гаа"л рЇЛ’ИМйФ,
кається хімічна реакція. В процесі полімеризації емульсію постійно
перемішують. У результаті одержують порошкоподібний полімер,
незначно забруднений емульгатором, що знижує його діелектричні
властивості. Потім порошок піддають грануляції.
Таким способом одержують полівінілхлорид, нітрон.
Л а к о в и й спосіб полімеризації здійснюється безпосередньо в
мономері, який розчинюється в певному розчиннику. Таким спосо-
бом одержують поліві ніл ацетат.
При газовому способі полімеризація здійснюється в газовій
фазі в присутності каталізатора при температурі приблизно 200°С і
високому тиску. Цей спосіб використовують тоді, коли мономери не
полімеризуються в жодному із перерахованих способів.
Таким способом одержують поліетилен високого тиску.
До полімеризаційних синтетичних полімерів відносять полімерні
вуглеводні, фторорганічні полімери, кремнійоргапічні полімери
( по л іси л о ксан и).
Полімерні вуглеводні. До них відносять полістирол, поліпро-
пілен, поліетилен, полівінілхлорид (ПВХ), вініпласт, поліметилме-
такрилат (оргскло) та Ін.
Полістирол — твердий прозорий матеріал, неполярний
діелектрик з високими електроізоляційними властивостями. Він є
продуктом полімеризації мономерного стиролу в присутності
різних ініціаторів (пероксиду, гідропероксиду):
За способом одержання полістирол поділяється на блочний і
емульсійний.
Полістирол має такі властивості: температура розм’якшення
7роз - 11О...12О°С; теплостійкість за Мартенсом 78...80°С; низька
гігроскопічність; водостійкий; мале значення тангенса кута діелект-
ричних втрат стійкий проти впливу нейтронів і /-променів; не
розчиняється в спиртах, парафінових вуглеводнях; стійкий проти
дії лугів і ряду кислот.
До недоліків полістиролу відносять: крихкість при знижених
температурах; схильність до старіння і утворення тріщин; роз-
чинність в ароматичних вуглеводнях (бензолі, толуолі), хлоро-
формі, концентрованій кислоті; невисоку нагрівостійкість.
Теплостійкість і механічну міцність полістиролу підвищують
суполімеризацією стиролу з іншими мономерами і суміщенням йо-
го з каучуками. Суполімери стиролу мають більш високу теплостій-
кість і механічну міцність, але їх діелектричні властивості гірші.
170
Полістирол — один із кращих високочастотних діелектриків.
Він використовується для виготовлення каркасів індуктивних ко-
тушок, корпусів радіоприймачів і телевізорів, плат перемикачів,
для ізоляції кабелів і конденсаторів. Із блочного розм’якшеного
полістиролу способом витягування одержують електроізоляційні
нитки і гнучкі полістирольні плівки. По.’(істирольна плівка для
радіодеталей повинна бути прозорою, без поверхневих забруднень,
пор, зламів, подряпин і тріщин. Деталі з полістиролу одержують
литтям під тиском, пресуванням і механічною обробкою. Після ви-
готовлення деталі піддають термообробці при температурі 7О...8О°С
протягом 2...З год, а потім повільно охолоджують для зняття внут-
рішніх напружень і попередження утворення тріщин.
Поліетилен — твердий білий або світло-сірий матеріал без
запаху, неполярний діелектрик, одержаний в результаті реакції
полімеризації газу етилену:
Н Н Н Н
...—с —с—с—с—...
н н н н
Електроізоляційні властивості такі ж високі, як І у полістиролу,
але відрізняються високою стабільністю. .На відміну від полістиро-
лу поліетилени містять значну кількість кристалічної фази.
Поліетилен має такі властивості: висока морозостійкість
(зберігає гнучкість при температурі -7()°С); висока воло-
гостійкість, негігроскопічнпй; стійкий проти дії міцних кислот
(крім азотної), лугів й інших розчинників; при кімнатній темпера-
турі не розчиняється в жодному розчиннику; стійкий проти цвілі;
газонепроникний; стійкий проти стирання і вібрації; в полум’ї го-
рить і оплавлюється; гранична робоча температура 100°С (міцність
починає зменшуватись тільки при нагріванні вище 60°С).
До недоліків поліетилену відносять такі властивості: теплове
старіння призводить до утворення тріщин на поверхні виробу; при
нагріванні до температури до 80°С і вище розчиняється в ароматич-
них і хлорованих вуглеводнях; під дією концентрованої сірчаної
кислоти чорніє, а в концентрованій азотній кислоті навіть при кім-
натній температурі набухає, збільшуючись у масі на 4,6% протягом
85 діб; під дією теплоти, ультрафіолетового випромінювання,
кисню повітря старіє; в сильних електричних полях виникають
структурні зміни, що знижують ЯКІСТЬ ізоляції.
Для одержання електроізоляційного матеріалу з необхідними
властивостями змішують поліетилен трьох різновидів з одним
або з іншими полімерами, а також піддають іонізаційному оп-
роміненню.
171
Завдяки високим електроізоляційним властивостям поліетилен
широко використовується як конструкційний матеріал для виготов-
лення каркасів котушок, деталей, які працюють у колах високої час-
тоти. Поліетиленові плівки товщиною від 0,02 до 0,2 мм використо-
вують для виготовлення кабелів і проводів. У мікроелектроніці
використовують поліетиленові труби як з’єднувальні шланги, в
установках для очищення різних газів, а також трубопроводів для
подачі і розливання особливо чистої води і для виготовлення посу-
ду для зберігання, транспортування рідких неорганічних хімікатів.
Відомо три основних промислових методи одержання поліети-
лену:
полімеризація етилену при тиску приблизно 300 МПа і темпе-
ратурі приблизно 200°С в присутності ініціаторів (кисню, органіч-
них перокспдів). Одержаний таким методом поліетилен називають
поліетиленом високого тиску. Він містить 55...67% і випускається
безбарвним і пофарбованим;
полімеризація поліетилену при тиску 0,3...0,6 МПа і темпера-
турі приблизно 80°С в присутності металоорганічних каталізаторів.
Одержаний поліетилен низького тиску містить 75...85% крис-
талічної фази і має більш високі механічні властивості, вищу темпе-
ратуру плавлення, ніж поліетилен високого тиску;
полімеризація етилену при тиску 40 атм і температурі приблиз-
но 150°С з використанням каталізаторів оксидів металів змінної
валентності. Одержаний поліетилен середнього тиску має найбільш
упорядковану структуру і містить до 95% кристалічної фази.
Одним з основних методів виготовлення виробів із поліетилену
є лиття під тиском при температурі 15О...18О°С. Пластини, блоки,
листи і стержні із поліетилену легко піддаються механічній обробці
різанням, свердлінням, фрезеруванням на станках, які використо-
вуються для обробки металів.
Поліпропілен — лінійний неполярний полімер, одержа-
ний полімеризацією газу пропілену аналогічно полімеризації ети-
лену низького тиску:
Н Н
...— с—с—...
Н СІ
Він має ті ж самі електроізоляційні властивості, що й поліетилен.
Поліпропілен має температуру розм’якшення 16О...17О°С (вище
ніж у пропілену); підвищену температуру плавлення Тпл до 200°С;
водостійкість; добрі механічні властивості; кращу холодостійкість і
гнучкість, ніж поліетилен; еластичність (видовження при розриві
на 500...700%).
172
Поліпропілен використовують як комбінований паперо-плівко-
вий діелектрик у силових конденсаторах, як плівковий діелектрик
в обмоткових проводах. Поліпропілен перероблюється у вироби
тими ж способами, що і поліетилен; його випускають у вигляді по-
рошку, гранул, з нього можна отримати плівки, волокна, тканини і
фасонні вироби.
Полівінілхлорид (ПВХ) — білий дрібнодисперсний
порошок. Лінійний полярний полімер, одержаний в результаті
полімеризації газоподібного полімеру вінілхлориду у присутності
емульгаторів (желатину, полівінілового спирту) та ініціаторів
(пероксиду водню, пероксиду ацетилену):
н н н н
...—С — С—С—С —...
Н СІ Н СІ
Внаслідок полярної будови полівінілхлорид має знижені елек-
тричні властивості порівняно з неполярними діелектриками, але
питомий електричний опір майже не змінюється при підвищенні
температури до 90°С.
Полівінілхлорид не розчинюється у воді, бензині, спирті; розчи-
няється в діхлоретані і метиленхлориді; набухає в ацетоні і бензолі.
При нагріванні вище 140°С під дією світла полівінілхлорид розкла-
дається з виділенням хлористого водню. Газ, що виділився, шкідли-
во впливає на організм людини і викликає корозію апаратури. Цей
процес супроводжується зміною фізпко-мехапічппх властивостей:
знижується міцність, відносне видовження при розриві; підвищу-
ється крихкість, що призводить до появи тріщин; змінюється колір.
Залежно від способу полімеризації виготовляють суспензій-
ний* і латексний** полівінілхлориди.
Суспензійний полівінілхлорид випускають для кабельного
світлотермостійкого ізоляційного матеріалу, кабельного пластика-
ту і для виготовлення вініпласту.
Вініпласт — твердий полімер, що не містить пластифікатора,
який отримують гарячим пресуванням порошкоподібного або
плівкового полівінілхлорі[ду.
Вініпласт має такі властивості: гранична робоча температура
80°С; стійкий проти впливу бензину, масел, спиртів, фенолу; до
*Дпсперсна система, що складається із двох фаз — рідкої і твердої, де
дрібні тверді частинки завислі в рідині (від латин, зизрепзіо — підвішений).
**Сік каучукових рослин з вмістом до 30% каучуку. В промисловості
використовують також синтетичні латексп — водяні дисперсії синтетично-
го каучуки (від латин. ІаСех —сік).
173
температури 40°С стійкий проти впливу концентрованих кислот,
лугів, розчинів солей, хлору; має високу міцність на удар; добру ме-
ханічну міцність; низьку холодостійкість і теплостійкість.
Вініпласт перероблюється у вироби ударним пресуванням при
температурі 165°С, механічною обробкою, зварюванням або склею-
ванням.
Плівки з вініпласту використовують для ізоляції водозануре-
них електродвигунів, розділення катодних і анодних пластин в
акумуляторних батареях та іншій електричній апаратурі, що працює
в умовах підвищеної вологості і дії кислот.
Як конструкційний матеріал вініпласт використовують для ви-
готовлення гальванічних ванн, кислотостійкого посуду (місткостей
для зберігання кислот, лійок для зливайня відпрацьованих кислот,
лугів та ін.).
Властивості латексних полівінілхлоридів можна змінювати в
широких межах, вводячи різні добавки: пластифікатори, стабіліза-»
тори, наповнювачі, барвники і одержувати пластикати. Зі збіль-
шенням вмісту пластифікатора, в композиції міцність пластикатів
зменшується, відносне видовження збільшується, а діелектричні
властивості погіршуються, але вони мають більш високу холодо-
стійкість (до — 50°С) І велику еластичність.
Полівінілхлоридний пласти кат використовують для виготов-
лення плівок, ізоляційних стрічок, монтажних і телефонних
проводів, трубок, а також як спеціальні світлотермостійкі ізо-
ляційні і шлангові матеріали. При впливі електричної дуги
полівінілхлорид виділяє велику кількість газоподібних про-
дуктів, що сприяє гасінню дуги.
Полімо т п л м е т а к р п л а т (оргскло, плексиглас) — прозо-
рий безбарвнігіі матеріал, полярний діелектрик, який одержують в
результаті полімеризації ефірів метакрилової кислоти.
Полі метилметакрилат має невелику гігроскопічність, високу
хімічну стійкість; легко зварюється в спеціальних пристроях за
температури 140„.150°С при надавлюванні на зварювальні поверхні
0,5...1,0 МПа, склеюється полярними розчинниками.
Використовують органічне скло для виготовлення корпусів
приладів, шкал, лінз, а також як дугогасильний матеріал, оскільки
воно має властивість виділяти при взаємодії з електричною дугою
велику кількість газів (СО, Н2, СО2, пари Н2О).
Фторорганічні полімери. Одним з суттєвих недоліків органіч-
них полімерів є знижена теплостійкість. Для більшості органічних
полімерів допустимі робочі температури від -60 до 120°С. Вуглець,
який складає основу органічних полімерів, на повітрі (а тим більше
при нагріванні) може окиснюватись, що призводить до руйнування
полімеру. Для підвищення теплостійкості як основу для органічних
полімерів крім вуглецю використовують фтор, кремній, титан та ін.
174
Найбільшого поширення набули фторорганічні (фторопласти) і
кремнійорганічні полімери (полісилоксани).
Фторопласти — кристалічні полімери фторпохідних ети-
лену, де атоми водню заміщені фтором. Введення в молекулу
полімеру фтору, який міцно зв’язується з вуглецем, підвищує теп-
лостійкість і хімічну стійкість одержаного матеріалу. Фторопласти
виготовляють в автоклавах полімеризацією газоподібних низько-
киплячих мономерів при підвищеному тиску.
В радіоелектроніці найчастіше використовують фторопласт-4
(політетрафторетилен) і фторопласт-3 (політрифторхлоретилеп).
Фторопласт-4 — білий або сіруватий матеріал з більш
високою густиною, ніж у інших органічних полімерів. Цифра 4
вказує на число атомів фтору в молекулі мономеру. Він випус-
кається також під назвою ф т о р л о и - 4, а за кордоном під назвою
тефлон:
Фторопласт-4 має такі властивості: робочий діапазон темпера-
тур від -250 до +250°С; високі діелектричні властивості, які майже
не залежать від температури; добрі вакуумні властивості; найбільш
хімічно стійкий матеріал із всіх відомих полімерів (його стійкість
проти хімічного впливу вища, ніж у золота, платини, скла, фарфору,
емалі, тобто тих матеріалів, які використовують для захисту від
корозії в найбільш сильнодіючих агресивних середовищах; не змо-
чується з водою і не набухає в ній; не розчинюється в жодному
розчиннику; не горить; за електроізоляційними властивостями
належить до кращих із відомих діелектриків; абсолютно стійкий в
тропічних умовах, не доступний до дії грибків.
До недоліків фторопласта-4 відносять: виділення отруйного га-
зоподібного фтору в результаті розкладання при температурі вище
400°С, низьку радіаційну стійкість, складну технологію переробки,
високу вартість, ВІДНОСН}' м’якість і схильність до хол одо плинності.
Із фторопласту-4 виготовляють тонкі конденсаторні і електро-
ізоляційні плівки товщиною 5...200 мкм. Залежно від способу
виготовлення випускаються орієнтовані і пеорієнтовані плівки.
В радіоелектроніці із фторопласту виготовляють хімічний посуд
для виконання технологічних операцій в агресивних середовищах;
в обладнанні для температурних випробувань, оскільки він добре
переносить різку зміну температур в широкому діапазоні; у вакуум-
них вентилях.
175
І
Фторопласт-3 (п о л і т р и ф т о р х л о р е т и л е н) — полі- |
мер трихлоретилену, в результаті заміни в елементарній ланці одного |
атома фтору на атом хлору перетворюється на полярний діелектрик: 8
Р Р Р Е І!
.. .— с—с —с —с —...
Р СІ Р СІ
тем-
; во-
г-4 за
Фторопласт-3 має такі властивості: нижня границя робочої
ператури 195°С; механічні властивості вищі ніж у фторопласту-4,
логостійкість вища ніж у фторопласту-4; нагрівостійкість нижча ніж
у фторопласту-4 і становить 125°С; поступається фторопласту 1
електричними властивостями; висока хімічна стійкість, але нижча
ніж у фторопласту-4; вологостійкий; висока лугостійкість; технологія
одержання простіша, ніж фторопласту-4; дешевший фторопласту-4:
Випускається у вигляді тонкого порошку білого кольору або
напівпрозорого рогоподібного матеріалу.
Використовується, головним чином, у вигляді суспензій для ан-
тикорозійних покриттів. Спиртові суспензії фторопласта-3 викори-
стовують для одержання покриттів на металах (у тому числі на міді
й кераміці). Ці покриття зберігають свої властивості при темпера-
турі вище 100°С. Проводи і кабелі, ізольовані фторопластом-3 мож-
на експлуатувати при температурі 150°С у вологих і агресивних
середовищах.
Крем нійорган ічні по лімери (полісилоксани) —
це матеріали, які являють собою проміжну ланку між органічними
і. неорганічними матеріалами. До їх складу, крім характерного для
органічних полімерів вуглецю С, входить також кремній 8і. Основу
будови їх молекул створює силоксанпий ланцюг поперемінних
атомів кремнію і кисню;
більша, ніж енергія зв’язку
С, що і визначає більш високу нагрі-
Кремнійорганічні полімери можуть бути термопластичними з лі-
нійною будовою і термореактивними з утворенням просторових струк-
тур. Енергія силоксанового зв’язку 8і —
МІЖ двома атомами вуглецю С — Г, ______-___- гиіірі
постійність кремнійорганічнпх полімерів порівняно з більшістю із
розглянутих. Атом кремнію, зв’язаний з киснем, не може окиснюва-
тися далі, тому молекули полімеру, що утворився при нагріванні, не
розпадаються і речовина має підвищену нагрівостійкість.
Кремнійорганічні полімери мають такі характеристики: високі
електроізоляційні властивості; лугостійкість; теплостійкість (здатні
довго витримувати температуру до 200° С і короткочасно — темпе-
ратуру 500°С); водостійкість (гідрофобність), не змочується водою,
оскільки на поверхні утворює найтонпіу плівку, яка не вбирає і не
пропускає воду; стійкість проти впливу плісені; морозостійкість;
погану адгезію* до більшості інших матеріалів; низьку мас-
лостійкість; достатньо високу вартість.
Затежно віл первинних речовин і технології виготовлення одер-
жують кремнійорганічні пластмаси, клеї, лаки, компаунди.
5.7.2. Полікояденсаційш синтетичні полімери
У реакції поліконденсації беруть участь на менше двох хімічних
речовин. В результаті утворюються полімери просторової структу-
ри, із яких одержують міцні й теплостійкі термореактивні матеріали.
Продуктами поліконденсації є: фенол формальдегід ні, поліефірні,
епоксидні і поліамідні смоли.
Фенолформальдегідні смоли. Виготовляються шляхом полі-
конденсації фенолу у водному розчині формальдегіду при темпера-
турі 70...90°С в присутності каталізатора (кислоти або лугу). Вони
можуть бути термореактивними і термопластичними.
Найважливішою особливістю фенолформальдетідних смол є їхня
властивість у сполученні з різними наповнювачами утворювати
феноплсісти, які мають такі властивості: високу міцність, добрі елек-
троізоляційні властивості, здатність тривалий час функціонувати
при високих температурах або у будь-яких кліматичних умовах.
Фенолформальдегідні смоли здатні суміщатися з багатьма полі-
мерами і утворювати сополімерп, які мають властивості фенопласту
і всі позитивні якості суміщеного з ним компонента. Ці смоли
поділяються на резольиі і новолачні.
Якщо процес ведуть з надлишком формальдегіду в присутності
лугу, то одержують смолу, яка називається бакелітовою. Вона може
знаходитись у трьох станах: резол (знаходиться в твердому або рідко-
му стані, може розчинюватись в органічних розчинниках і плавитись);
резитол (тверда смола, в органічних розчинниках не розчинюється,
а набухає; не плавиться, але може розм’якшуватись при підвищенні
температури); резит (тверда смола, в розчинниках не набухає, не
плавиться, має механічну міцність, добрі електроізоляційні власти-
вості, стійка у водних слабо кислих середовищах, бензині, маслах).
Резольні смоли — термореактивні матеріали, полярні ді-
електрики. Використовуються для виготовлення таких шаруватих
пластмас як текстоліт, гетинакс; для композиційних прес-матері-
алів (фенопластів); трубок, клеїв та інших матеріалів.
*3лппання поверхонь двох різнорідних твердих тіл або рідня (від
латин, аіікаезіо — прилипання).
177
Якщо процес ведуть з надлишком фенолу в присутності кислих
каталізаторів (соляної або щавлевої кислоти),то одержують тверді,
крихкі, прозорі термопластичні смоли, які називаються новолаками.
Новолаки термопластичні, плавляться при нагріванні до темпера-
тури 1ОО...12О°С; розчинюються в спирту, ацетоні та інших органіч-
них розчинниках.
Вони мають високі електроізоляційні властивості, особливо у
вологій атмосфері; низьку стійкість проти іскрових розрядів.
Новолачні смоли відрізняються одна від одної вмістом фенолу
(від 2 до 9%). При додаванні 10... 15% уротропіну вони переходять
у термореактивний резпт. Використовують для виготовлення кор-
пусів приладів, плат, рознімачів, різних кнопок і ручок керування
радіоапаратури, лаку і як замінник шелаку*.
Поліефірні смоли. Поліефірні смоли одержують у результаті
реакції поліконденсації різних багатоатомних спиртів (гліколю,
гліцерину та ін.) і багатоосповних органічних кислот (фталевої, ма-
леїнової та ін.) або їх ангідридів. За фізичними властивостями вони
близькі до природних смол (каніфоль, шелак). Із поліефірпих смол
найбільш поширеними є лавсанова смола (поліетплентетрафталат),
гліфтаєва смола, полікарбонати.
Лавсанову смолу (подіє т и л е н т е т р а ф т а л а т, л а в с а н)
одержують поліконденсацією терефталевої кислоти і етиленгліко-
лю. Він є термопластичним діелектриком кристалічної або аморф-
ної будови.
В результаті реакції поліконденсації терефталевої кислоти і ети-
ленгліколю при повільному охолодженні утворюється непрозорий
кристалічний лавсан (кристалічна фаза до 75%).
Кристалічний лавсан має високу температуру плавлення 265°С;
високу механічну міцність у широкому діапазоні температур; добрі
електроізоляційні властивості; стійкий проти дії слабких лугів,
соляної кислоти, ефірів, масел, жирів, плісені; нестійкий проти дії
міцної азотної і сірчаної кислот, фенолу, хлору; світлопроникність
плівки така ж, як у скла, має малі гігроскопічність і газопроник-
ність. Кристалічний лавсан старіє під дією сонячних променів.
Лавсан кристалічної будови використовується для виготовлен-
ня волокон, пряжі, тканин, тонких електроізоляційних плівок.
Волокна і плівки використовують для ізоляції проводів і кабелів.
Лавсанова конденсаторна плівка має високу електричну міцність і
підвищену нагрівостійкІсть.
У результаті реакції поліконденсації терефталевої кислоти,
етиленгліколю, гліцерину і затверднпка (бутилтитанату) при швид-
кому охолодженні одержують прозорий аморфний лавсан. Він
*Смола, що виділяється комахами, які живуть на пагінцях деяких тро-
пічних рослин; використовують для приготування лаків політур.
178
використовується при виготовленні емальованих проводів і вироб-
ництві електроізоляційних лаків. Плівки лавсанових лаків термо-
реактивні, тобто не розм’якшуються при нагріванні.
Гліфталеву смол у одержують з найпростішого триатом-
ного спирту гліцерину і надлишкової кількості фталевого антигідриду
при температурі 150...200°С в алюмінієвих котлах. Це термореактивні
смоли з чітко вираженими диполь но-релаксаційними втратами.
Гліфталеві смоли мають такі властивості: високу нагрівостійкість
до температури 130°С, високу гнучкість, досить високу твердість, ви-
соку здатність до склеювання, розчинність в органічних розчинни-
ках, розм’якшується при нагріванні, підвищену гігроскопічність при
неповній полімеризації, стійкість проти поверхневих розрядів.
Використовують як основу лаків для склеювання, просочуван-
ня і покривання, плівки яких стійкі проти нагрітого мінерального
масла; для виготовлення лаків, пластмас, клеїв.
П о л і к а р б о н а т и — це поліефірні вугільні кислоти. Полікар-
бонати мають добрі електричні і механічні властивості, відносно
високу температуру розм’якшення (кристалічний полікарбонат
розм’якшується при температурі 140°С), виражену хімічну стій-
кість, невисоку гігроскопічність.
Використовують полікарбонати для виготовлення шаруватих
пластиків, компаундів, плівок для ізоляції в електричних машинах.
Кремнійорганічні смоли, Кремнійорганічні полімери (смоли) з
просторовою структурою термореактивні (див. п. 5.2.1).
Кремнійорганічні смоли мають високу нагрівостійкість проти
температури +250°С; високу холодостійкість проти температури
-60°С; добрі діелектричні властивості, які мало залежать від темпе-
ратури; мату гігроскопічність; хімічну інертність.
У промисловості кремнійорганічні смоли використовують для
виготовлення електроізоляційних матеріалів, таких як склотекс-
толіти, слюдяна ізоляція, компаунди, кремнійорганічний лак, по-
кривні емалі, гумосклоткапини та ін.
Епоксидні смоли. Епоксидні смоли одержують у результаті
хлорування гліцеринів з двоатомними або багатоатомними фенола-
ми в лужному середовищі. В структурі епоксидних смол містяться
не менше двох епоксидних груп, у результаті зв’язування яких ви-
никає їх твердіння:
Н2С — сн —
У чистому вигляді епоксидні смоли -- цс термопластичні низь-
коплавкі рідкі матеріали, які легко розчиняються в багатьох ор-
ганічних розчинниках (ацетоні, толуолі, хлорованих вуглеводнях
та ін.), не розчиняються у воді, мало розчиняються в спиртах, довго
зберігаються, не змінюючи властивостей.
179
-ЛЧ-^ЧЧЧ^, -фЧ«Ч^ ^•^чччч>^л>М^чІ , ДчІ і
Після добавляння затверднпків епоксидні смоли швидко твер-
діють, набуваючи просторової будови. Твердіння відбувається в ре-
зультаті реакції полімеризації без виділення побічних продуктів
(води та інших низькомолекулярних речовин). Затверділі епок-
сидні смоли є термореактивними і можуть утворювати товстий шар
монолітної, водонепроникної ізоляції. Залежно від затвердника
епоксидні смоли можуть твердіти при кімнатній температурі («хо-
лодне твердіння») або з використанням нагрівання від 80 до 150°С,
а також при атмосферному або підвищеному тиску. Для холодного
твердіння використовують азотовміщуючі речовини, а для твердін-
ня при нагріванні — антигідриди органічних кислот. Вибір затверд-
ника впливає на властивості затверділої епоксидної смоли.
Затверділі епоксидні смоли мають порівняно невелику усадку,
приблизно 0,5...2%; високу адгезію до пластмас, стекол, фарфору,
металів; нагрівостійкість і механічні властивості виші ніж у
кремнійорганічних смол; вартість меншу ніж у кремнійорганічних'
смол. Використовують для виготовлення лаків, клеїв, заливочиих
компаундів.
Багато епоксидних смол токсичні і можуть викликати ураження
шкіри, тому при роботі з ними необхідно дотримуватись правил
техніки безпеки. Затверділі епоксидні смоли не мають шкідливого
впливу на організм людини.
Поліаміди — термопластичні полярні діелектрики з лінійною
структурою.
Вони мають високу механічну міцність (малий коефіцієнт
тертя, абра.зивостійкість); високу еластичність; високу хімічну
міцність (стійкі проти дії лугів, масел, жирів і вуглеводнів; розчи-
нюються тільки в певних розчинниках — крезолі, розплавленому
фенолі); невисокі електричні параметри, які значно змінюються під
дією підвищеної температури і вологості; високу гігроскопічність;
малу радіаційну стійкість; низьку світлостійкість.
Серед полімерів найбільшого поширення набули капрон і нейлон.
Капрон має температуру розм’якшення 215...250°С і викори-
стовується для одержання синтетичного волокна, яке за міцністю,
стійкістю проти стирання та гігроскопічністю значно переважає
текстильне волокно.
Нейлон має більш високу температуру розм’якшення, ніж капрон.
Із поліамідів виготовляють також стійкі проти корозії ізолю-
вальні кріпильні гвинти, гайки, шайби і деталі вимикачів.
Випускають поліаміди у вигляді порошків, рогоподібних гранул
від білого до світло-жовтого і світло-сірого кольорів, які переробля-
ють у вироби литтям під тиском. Оскільки поліаміди твердіють у
вузькому діапазоні температур, форму для лиття необхідно напов-
нювати дуже швидко, щоб встигнути заповнити її, поки матеріал ще
не застиг.
180
Полііміди — це органічні полімери, які мають високу нагріво-
стійкість (тривало витримують температуру до 300°С, а коротко-
часно — до 500°С); дуже високу холодостійкість (зберігає робото-
здатність до температури -269°С); добрі діелектричні властивості.
Поліімідні плівки використовують у конденсаторах і нагріво-
стійкпх кабелях, як підкладки в мікросхемах; поліімідні лаки засто-
совують для емалювання проводів і просочування котушок, а також
як міжшарову ізоляцію в багатокристальних великих інтегральних
схемах.
Поліуретани — це лінійні термопластичні матеріали, які після
твердіння перетворюються в термореактивні полімери.
Поліуретани мають такі властивості:
температура плавлення нижче, ніж у поліамідів;
більш стійкі проти окиснення, дії кислот, вологи і морозу, ніж
поліаміди;
електроізоляційні властивості країні, ніж у поліамідів, можуть
зберігати високі електроізоляційні характеристики в умовах підви-
щеної вологості і після тривалої дії води, що кипить;
стійкі проти впливу більшості органічних розчинників — бензи-
ну, бензолу, масел і спиртів.
Використовують поліуретани для виготовлення тканин, пряжі,
ниток, які мають вдвічі більшу міцність при розтягуванні, ніж нит-
ки з натурального шовку; для емалювання проводів; у виробництві
покривних лаків, заливних компаундів; для одержання пено-
пластів, каучуків, клеїв, плівок, антикорозійних покриттів. Най-
більше поширення одержали пінополіуретани, які мають достатню
механічну міцність, виражені електричні властивості, високу теп-
ло- і звукоізоляцію. їх використовують для герметизації радіобло-
ків і малогабаритних приладів, а також для захисту їх від вібрації,
дії тепла і механічних навантажень.
5.7.3. Електроізоляційні пластмаси
Пластичні маси (п л а с т м а с п) об’єднують групу твердих або
пружних матеріалів, які повністю або частково складаються з
полімерних сполук і формуються у вироби методами, заснованими
на використанні їх пластичних деформацій.
Пластмаси одержують на основі різних натуральних і штучних
смол, вони успішно заміняють метали, фарфор, каучук, скло, шовк,
шкіру та інші матеріали.
Вони мають такі властивості:
порівняно високі механічні властивості, достатні для виготовлен-
ня виробів, які не піддаються значним динамічним навантаженням;
добрі електроізоляційні властивості, що дозволяє використову-
вати їх як діелектрики;
181
високу стійкість проти корозії;
високу хімічну стійкість;
низьку гігроскопічність;
легкість (хустина пластмас, як правило, становить 900... 1800 кг/м2);
широкий діапазон коефіцієнтів тертя і високий опір стиранню;
виражені оптичні властивості та прозорість.
Основна первинна сировина для виробництва пластмас недорога
і доступна (продукти переробки нафти, природного газу, кухонної
солі, вапна, піску та ін.). Переробка пластмас у вироби — відносно
нескладний І дешевий процес.
До основних недоліків пластмас відносять повзучість, тобто
здатність матеріалу повільно деформуватися на холоді під впливом
постійних механічних навантажень; порівняно невисоку тепло-
стійкість; знижену міцність при змінних навантаженнях; швидке
порівняно з іншими матеріалами старіння.
У більшості випадків пластмаси складаються із в’яжучої речо-
вини і наповнювача.
До їх складу вводять пластифікатори, стабілізатори і барвники.
В’яжучі речовини визначають, в основному, властивості
деталей із пластмас і є складними хімічними сполуками органічно-
го й неорганічного походження, які отримали у промисловості за-
гальну назву «смоли». У чистому вигляді вони не використовують-
ся, оскільки введення добавок значно здешевлює пластмасу і
суттєво впливає на фізико-мехаиічні властивості деталей із пласт-
мас. Як органічну в’яжучу використовують натуральні й синтетичні
термопластичні і термореактивні смоли (полімери), кремнійорга-
нічні і фторорганічні полімери та інші матеріали, які мають здат-
ність деформуватися при нагріванні і тиску. В окремих випадках
використовують і неорганічні речовини (цемент, скло та ін.). Вміст
в’яжучої речовини в пластмасах коливається в межах ЗО...60%.
Н а п о в н ю в а ч і, маючи здатність міцно зчеплговатися із
в’яжучою речовиною, надають пластмасам необхідних властивос-
тей — механічну міцність (деревне борошно, азбест), теплопровід-
ність (молотий мармур, кварц), діелектричні властивості (молота
слюда або кварц), нагрівостійкість (азбест, скловолокно).
Введення наповнювачів зменшує об’ємну усадку пластмас, але
підвищує гігроскопічність і погіршує їх електроізоляційні власти-
вості, тому у пластмасах з високими діелектричними характеристи-
ками наповнювач часто відсутній. В основному пластмаси містять
40...70% наповнювача.
Пластифікатори вводять до складу пластмаси для підви-
щення пластичності і холодостійкості, а також для попередження
прилипання виробів до стінок прес-форми при пресуванні. Проте
велика кількість пластифікатору призводить до зниження тепло-
стійкості і механічної міцності пластмас. Як пластифікатори вико-
182
ристовують маслоподібні синтетичні рідини з високою температу-
рою кипіння (стеарин, олеїнову кислоту, сульфітну целюлозу).
Стабілізатори сприяють тривалому зберіганню пластма-
сами своїх основних властивостей.
Ф а р б н и к и надають пластмасам певного забарвлення. Кольо-
ри від темно-жовтого до коричневого одержують введенням вохри і
кропу. За допомогою додалииу пластмаси набувають червоного ко-
льору, нігрозин дає чорне забарвлення, а зелений діамант — зелене.
Пластмаси можна класифікувати за різними властивостями:
застосуванням, нагрівостійкістго, хімічними зв’язками, способом
переробки, використаними в’яжучими смолами.
Щодо застосування пластмаси поділяють на:
конструкційні (для виготовлення корпусів приладів, ручок
керування та інших деталей);
електроізоляційні (для каркасів котушок, панелей, плат та ін.);
спеціальні (мапіітоелектрпки, електропровідні та ін.).
За нагрівостійкістго пластмаси поділяють на декілька
класів:
Е з нагрівостійкістго до 120°С; до нього відносяться пластмаси
на основі фенол- і меламі неформал ьдегід них смол з органічними
наповнювачами, текстоліт, гетинакс;
В з нагрівостійкістго до 130°С; до нього відносяться ті самі
пластмаси, що і в класі А, але з неорганічними наповнювачами;
Г з нагрівостійкістго до І55°С; до нього відносяться складні пла-
стики на основі скла або азбесту;
С з нагрівостійкістго до 180°С; до нього відносяться пресувальні
й шаруваті пластмаси на основі азбесту І скла з кремпійорганічиою
в’яжучою речовиною.
За х і м і ч н и м с к л а д о м пластмаси ділять па термоплас-
тичні й термореактивні.
Термопластичні пластмаси (термопласти) мають здатність під
дією температури і тиску плавитися і при охолодженні твердіти,
набувши необхідної форми. Вироби з термопластів можуть пере-
роблятися багаторазово.
Термореактивні пластмаси розм’якшуються під дією температу-
ри й тиску і при подальшому нагріванні невідновно переходять у
неплавкий і нерозчинний стан, зберігаючи набуту форму. Терморе-
активні пластмаси не піддаються вторинній переробці.
За с п о с о б о м переробки пластмаси поділяються на прес-
порошки і прес-матеріали, листові й фасонні шаруваті матеріали і
плівкові матеріали.
Первинним матеріалом для виготовлення більшості виробів із
термореактивних пластмас є пресувальні порошки, що є сумішами
подрібнених, висушених, старанно перемішаних у певних співвідно-
шеннях компонентів. Одержують порошки сухим, лаковим і водпо-
183
емульсійним способами. При сухому способі наповнювач змішують
зі смолою в кульових млинах. При лаковому способі смолу спочат-
ку змішують з лаками, потім масу підсушують для видалення роз-
чинника і подрібнюють. При водно-емульсійному способі смолу
перетворюють у водну емульсію, в неї добавляють наповнювач,
одержану масу висушують і подрібнюють.
Прес-порошки виготовляють на хімічних заводах і поставляють
на заводи-спожпвачі у готовому вигляді в герметичній тарі, щоб
захистити від потрапляння пилу, металевих включень і вологи з
атмосфери. Термореактивні пластмаси доцільно зберігати при тем-
пературі близькій до 0°С, щоб уникнути повільної полімеризації
смоли і втрати текучості.
Усадка термореактивних пластмас становить 0,5... 1,0%, що
необхідно враховувати при розробці прес-форм.
Залежно від використаних в’яжучих смол виготовляють пласт-
маси на основі кремнійорганічних, епоксидних, феиолформальде-
гідних та ефірних смол.
Пластмаси на основі кремнійорганічних смол виготовляють
методом гарячого пресування. Як наповнювачі використовують
азбест, скловолокно, молотий кварц, склоборотно та інші мінеральні
речовини.
Кремпійоргашчпі пластмаси мають високі стабільні електроізо-
ляційні властивості, високу нагрівостійкість до 300°С, виражені
механічні властивості, підвищену міцність на удар, підвищену луго-
стійкість. Використовуються для виготовлення деталей радіотех-
нічного призначення (ізоляційні шайби, дугогасильні камери для
контакторів), які працюють в умовах дугових й іскрових електрич-
них розрядів.
Пластмаси на основі епоксидних смол отримують методами гарячо-
го або холодного пресування прес-матеріалу, якій і складається з епок-
сидної смоли, наповнювача, затверджувана і розріджувача, з подальшою
термообробкою. Як наповнювач використовують фарфорове борошно.
Пластмаси на основі епоксидних смол мають виражені елект-
роізоляційні властивості, підвищену механічну міцність (зберіга-
ють механічні властивості до температури 12О...14О°С), високу
вологостійкість, стійкість проти спрацювання і хімічну стійкість.
Використовують для виготовлення деталей радіотехнічного
призначення (лугостійких деталей, при опресуванні слюдяних і
керамічних конденсаторів), які працюють в умовах тропічної воло-
гості і підвищених температур.
Пластмаси на основі фенолформальдегідних смол виготовля-
ють методом гарячого пресування. Вони мають задовільні елект-
ричні параметри, високу стабільність властивостей; стійкі проти дії
кислот, мінеральних масел, органічних розчинників; мають також
низьку стійкість проти електричних розрядів.
184
Вироби, що виготовляють з пластмас на основі фенолформаль-
дегідних смол, називають фенопластами. Фенопласти з органічними
наповнювачами використовують, в основному, як конструкційний
матеріал для виготовлення ручок керування, кнопок, корпусів при-
ладів та ін.
Фенопласти з неорганічними наповнювачами використовують
для виготовлення електроізоляційних деталей з підвищеною ме-
ханічною міцністю (каркасів, котушок, втулок тощо).
Пластмаси на основі поліефірів одержують гарячим пресуван-
ням. Для виготовлення прес-матеріалів використовують в’яжучі
речовини на основі алілових ефірів (алімерів), ненасиченпх полі-
ефірних смол, поліефІроакрилатів. Як наповнювач вводять склово-
локно, азбест або синтетичні волокна.
Пластмаси на основі ефірів мають задовільні електроізоляційні
властивості, підвищену тепло- і вологостійкість, стабільні механічні
властивості і розміри виробів, стійкість проти «повзучих» розрядів,
підвищену лугостійкість.
Основними способами переробки пластмас у вироби є лиття
під тиском, пряме пресування і пресування литтям. Термопласти
для лиття під тиском випускають у вигляді гранульованих порошків.
В радіоелектроніці деталі відливають із поліетилену, полістиролу,
капрону, поліамідів та інших матеріалів.
Пряме пресування і пресування литтям використовують для
формування виробів із термореактивних матеріалів при підвищеній
температурі.
5.7.4. Шаруваті пластики і фольговані матеріали
Шаруваті п л а с т п к и — це один із різновидів пластмас, які
одержують гарячим пресуванням листових волокнистих мате-
ріалів, попередньо просочених синтетичними смолами. В’яжучими
речовинами в цьому випадку слугують синтетичні фенолформаль-
дегідні, кремлі йорганічні та епоксидні смоли, а наповнювачами —
полотна тканин, папір або шпон з дерева.
Із шаруватих пластиків найбільш поширені гетинакс, текстоліт,
склотекстоліт, азботекстоліт.
Гетинакс — шаруватий листовий матеріал, виготовлений ме-
тодом гарячого пресування двох або більше шарів паперу, просоче-
ного термореактивною смолою. Залежно від марки гетинаксу як
в’яжучий матеріал використовують фенол формальдегідну або
епоксидну смолу.
Гетинакс зберігає основні параметри в інтервалі температур від
-60 до +Ю5°С; має анізотропність (електрична міцність гетинаксу
вздовж шарів в 5...8 разів нижча, ніж упоперек, а питомий електрич-
ний опір нижчий в 50... 100 разів). Гетинакс має низьку лугостій-
185
кість. Після іскрового розряду на поверхні гетинаксу залишається
навуглепьований шар з великою провідністю.
Вологостійкість вздовж шарів гетинаксу значно нижча, ніж упо-
перек, Гетинакс розчинюється в кислотах і лугах, стійкий проти дії
мінеральних масел і жирів.
Вироби з гетинаксу виготовляють механічною обробкою, штам-
пуванням і витягуванням. Деталі з листів товщиною більше 1,5 мм
штампують при нагріванні до температури 120...130°С, а витягують
при нагріванні до температури 15О...18О°С. Для підвищення воло-
гостійкості вироби з гетинаксу просочують бакелітовою смолою, роз-
веденою в спирті, з подальшим сушінням, тобто піддають бакелізаіщ.
Випускають гетинакс у вигляді листів і плит товщиною 0,4...50 мм
або у вигляді трубок і циліндрів, з яких виготовляють каркаси коту-
шок та Ізоляційні трубки діаметром 10...80 мм з товщиною стінок
1.5...5 мм. Гетинакс використовують також як основу для печатних
плат.
Текстоліт — шаруватий матеріал, виготовлений методом
гарячого пресування бавовняної тканини, просоченої фенолфор-
мальдегідною смолою. Промисловість випускає текстоліт конст-
рукційний і електротехнічний на основі таких тканин як бязь,
міткаль, шифон (для виробів, які працюють на високих частотах).
Текстоліт конструкційний випускається у вигляді листів товщи-
ною 0,5...8 мм і плит товщиною 8...70 мм. Текстоліт використовують
в інтервалі температур від -60 до +150°С.
Текстоліт електротехнічний випускається у вигляді листів тов-
щиною 0,5...8 мм і плит товщиною 0,5...50 мм. Цей текстоліт вико-
ристовують в інтервалі температур від -60 до 105°С.
Листовий текстоліт використовують як конструкційно-
ізоляційний матеріал для виготовлення виробів, які піддаються
ударним навантаженням, стиранню (деталі перемикачів), не вима-
гають високих електроізоляційних властивостей (панелі, каркаси,
щити, кріпильні планки), а також як основу для печатних плат.
Деталі з текстоліту виготовляють за такою ж технологією, як і
деталі з гетинаксу, піддавши їх бакелізації.
Текстоліт значно дорожчий гетинаксу, оскільки вартість тканини
вища вартості паперу.
Склотекстоліт — це шаруватий матеріал, одержаний
гарячим пресуванням склотканини, просоченої термореактивними
смолами. Випускається у вигляді листів товщиною 0,5...8 мм і плит
товщиною 9...35 мм. Склотекстоліт використовують при темпера-
турі до 200°С. Він має підвищену вологостійкість і кращі елект-
ричні й механічні параметри порівняно з гетинаксом і текстолітом,
але гірше обробляється механічною обробкою,
А з б о т е к с т о л і т — це шаруватий пластик, одержаний гаря-
чим пресуванням азбестової тканини, просоченої резольною фенол-
186
формальдегідною смолою. Випускається у вигляді плит товщиною
6...30 мм. Використовується для виготовлення деталей з підвище-
ною теплостійкістю.
Основні властивості деяких шаруватих пластиків наведені в
табл. 5.4.
Таблиця 5.4
Основні властивості шаруватих пластиків
Параметр Склотекстоліт Гетинакс Текстоліт Азботекстоліт
Густина І), кг/м8 1600.,, 1900 1350...1400 1300... 1400 1550...1650
Питомий електричний опір р, Ом-м 1О8...ІО12 Ю10...Ю11 108... 1010 106...108
Діелектрична проник- ність є при частоті 50 Гц 5...7 5...7 6...7 7...8
Тангенс кута діелект- ричних втрат 1^6 при частоті 50 Гц (0,1...5)-10-2 (1,5...40)-10'2 (5...12М0-2 (20...50)-10’2
Е л ектр 11 ч я а міцність Е.міц при товщині листів 2...3 мм, МВ/м 17...25 25...35 4.5...8.0 1.5...2.0
Теплостійкість за Мар- те псом, °С 207...283 185... 193 150... 160 155
Холодостійкість,°С 60 60 60 —
Границя міцності при розтягуванні стР для лис- тів товщиною 10 мм, МПа 77...442 80... 120 55...60 75...80
Питома ударна в’язкість для листів товщиною 10 мм, кДж/м2 31...339 8...22 . 25...28 20...22
Теплопровідність, Вт/(мград) 0Д78...0.182 0.170...0.175 0,146...0,162 0,176...0,180
Фольгова ні шаруваті матеріали — це шаруваті
пластики або синтетичні плівки, облицьовані з одного або двох
боків металевою фольгою.
Як шаруваті пластики найчастіше використовують гетинакс,
склотекстоліт, армований фторопласт.
Фольговані шаруваті діелектрики повинні відповідати та-
ким вимогам: мати високу електричну міцність і питомий опір,
великий діапазон робочих температур, малі значення діелект-
ричної проникності є і коефіцієнта лінійного розширення ТК/,
187
достатню механічну міцність, добру зчіплюваність з струмопро-
відпим покриттям, підвищену вологість, мінімальне жолоблення
в процесі виробництва та експлуатації; легко піддаватись техно-
логічній обробці.
Фольговані матеріали використовують як основу для печатних
плат.
Фольгований гетинакс — це гетинакс, облицьований з
одного або двох боків мідною фольгою (ГФ). Випускається у вигляді
листів марок ГФ-1-35, ГФ-2-50 та ін. (наприклад, ГФ-1-35 — ге-
тинакс фольгований, товщина листа 1 мм, товщина фольги 0,035 мм).
Ф о л ь г о в а н и й склотекстоліт — це склотекстоліт, об-
лицьований з одного або двох боків мідною фольгою (СФ). Промис-
ловість випускає велику кількість марок фольгованого склотекс-
толіту типу СФ-1-35 або СФ-1-Н-50 (наприклад, СФ-1-Н-50 —
склотекстоліт фольгований, товщина листа 1 мм, нагрівостійкий,
товщина фольги 0,05 мм).
Фольговані текстоліти можна застосовувати при температурах
до 200°С. Використовують для виготовлення печатних плат радіо-
електронної апаратури, яка працює на частотах до 10і0 Гц.
Фольгований а р м о в а н и й ф т о р о п л а с т - 4 (ФАФ-4) —
це шаруватий пластик, одержаний гарячим пресуванням склолако-
тканини, просоченої суспензією фторопласту-4 Д, і облицьований з
двох боків мідною фольгою товщиною 50 мкм.
Випускають листи товщиною 1,0...3,0 мм, використовують для
виготовлення печатних плат, що працюють в інтервалі температур
від -60 до +250°С на частотах до 106 Гц.
5.7.5. Плівкові електроізоляційні матеріали
Плівки — цінний діелектричний матеріал завдяки підвищеній
електричній міцності, достатній механічній міцності і малій товщині.
У багатьох випадках суттєве значення має висока вологостійкість.
Для підвищення механічної міцності плівок молекули полімеру
орієнтують, в результаті чого вони витягуються в певному напрямку
і закріплюються в такому стані. Неорієнтовані плівки мають ізот-
ропну структуру, а орієнтовані — анізотропну*. Механічна міцність
вздовж анізотропної плівки менше, ніж упоперек неї. Такі плівки ма-
ють значну усадку при нагріванні і можуть самочинно змінювати
структуру на ізотропну. Механічна міцність ізотропних плівок ниж-
ча, ніж анізотропних, але вони мають більш стійку структуру.
Поліетиленові плівки одержують декількома способами. На
токарному верстаті з полімерної заготовки зрізають безперервний
* Анізотропія (від грец. апіаоз —нерівний + ігороз — властивість) —
неоднакова властивість тіла в різних напрямках.
188
товстий шар матеріалу, який потім прокатують між гарячими вали-
ками. В результаті одержують ізотропну плівку певної товщини.
Розчин або розплав полімеру розливають на гладеньку холодну
металеву поверхню. В результаті охолодження розплаву або випа-
ровування розчину маса твердіє; плівку, що утворилась, намотують
на барабан. Одержану таким способом ізотропну плівку орієнтують
витягуванням або прокачуванням. Товстостінні трубки з полімеру
вппресовують, видувають за допомогою стиснутого повітря і розрі-
зають. Таким способом одержують вже орієнтовану (анізотропну)
плівку.
Властивості плівок зумовлені властивостями первинних полі-
мерів, тому їх можна розділити на полярні і неполярні.
Неполярні плівки. До основних неполярних плівок відносяться:
полістирольна, поліетиленова, поліпропіленова, політетрафторети-
ленова.
Полістирольна плівка (ПС) пакувальна випускається
товщиною 0,03 мм і шириною 20... 100 мм. Орієнтовану плівку для
радіодеталей одержують методом видавлювання розм’якшеного
при температурі 14О...16О°С блочного полістиролу з одночасним
розтягуванням у поздовжньому і поперечному напрямку; випус-
кається товщиною 002...0,1 мм і шириною 20... 100 мм.
До переваг орієнтованої полістирольної плівки відносять ви-
соку вологостійкість і малі діелектричні втрати, до недоліків —
порівняно невисоку температуру розм’якшення і низьку механіч-
ну міцність при нагріванні. Використовують для виготовлення
високочастотних конденсаторів і кабелів.
П о л і е т и л е н о в у плівку (ПЕ) орієнтовану товщиною
0,03...0,2 мм одержують видавлюванням з одночасним розтягуванням
стиснутим повітрям.
Поліетиленові плівки мають такі властивості:
високу морозостійкість, зберігають основні властивості до тем-
ператури -60°С;
низьку вологопроиикність, що дозволяє використовувати полі-
етиленову плівку для захисту виробів від впливу тропічної вологості;
при нагріванні до температури вище 110°С дають усадку, що
забезпечує додаткове ущільнення ізоляції обмоток;
піддаються впливу нафтового масла і при достатньо високій
температурі розчиняються у ньому, що обмежує їхнє використання
у конденсаторах, кабелях і монтажних проводах;
дешеві.
Для підвищення температури розм’якшення і збільшення міц-
ності на розрив поліетиленові плівки опромінюють електронами
або у-променями, що не викликає змін електричних властивостей,
хімічної стійкості та вологості. Опроміненні (іратенові) плівки
короткочасно витримують нагрівання до температури 250°С.
189
Поліпропіленова плівка (ПП) випускається товщиною
до 5 мкм, орієнтована в двох напрямках. За властивостями вона ба-
гато в чому подібна до поліетиленової, що пояснюється подібністю
первинних полімерів; має вищу ніж у поліетиленової плівки робо-
чу температуру (до 11О...13О°С), низьку паро- і газопроникність.
Впкористовуюється при виготовленні високовольтних конден-
саторів як комбінована паперово-плівкова ізоляція.
Політетрафторет и л е н о в у плівку (ПТФЕ) або плівку
з ф т о р о п л а с т у - 4 товщиною 0,005...0,2 мм одержують знят-
тям із заготовки стружки-стрічки на токарному верстаті. Одержана
неорієнтована плівка за фізико-механічнимп. властивостями не
відрізняється від фторопласту-4. В процесі прокатки плівка набу-
ває орієнтації (при цьому ступінь орієнтації залежить від товщини
плівки). Орієнтована плівка має такі властивості: механічна і елек-
трична про н п к н і ст ь вищі, ніжу фто ро пл ас ту -4, д а є ус а д ку при на-
гр і ванні, має високу морозо- і нагрівостійкість на високих частотах
і високу вартість.
Фторопластові плівки випускають декількох видів. Плівка елект-
роізоляційна використовується для ізоляції проводів, які працюють
при температурах від -60 до +250°С. Плівка ізоляційна використо-
вується для міжшарової ізоляції в обладнанні, що працює при тем-
пературі від -60 до +250°С.
Полярні плівки. Із полярних синтетичних електроізоляційних
плівок найчастіше використовують тюлі етиле нтерефталатну (лав-
санову), полі вінілхлорид ну (ПВХ), віні пластову, поліамідну,
полі карбонатну та плівки із ефірів целюлози.
П о л і е т п л е н т е р е ф т а л а т н а (л а в с а н о в а) плівка
поширена в електротехніці і радіопромисловості завдяки високій
міцності на розрив і надрив, вираженим електричним властивос-
тям, хімічній стійкості, стійкості проти дії органічних розчинників,
підвищеній нагрівостійкості, ВОЛОГОСТІ І (КОСТІ.
Недоліками лавсанової плівки є надлишкова жорсткість і-
пружність. Використовується для виготовлення конденсаторів і
кабелів, а також, для ізоляції обмоток низьковольтних електрич-
них приладів. :
П о л і в І н і л х л о р і д и у плівку (ПВХ) одержують Із хлоро-
ваного полівінілхлориду. Вона має невисокі електричні властивості
і низьку нагрівостійкість, що обмежує її використання.
В і н і п л а с т о в а плівка неорієнтована і орієнтована випуска-
ється товщиною 0,02...0,7 мм; калаидровапа* товщиною 0,3... 1,0 мм.
*Обробка матеріалів на калаирі — машині, яка складається з системи
валів, між якими пропускають матеріал (тканина, папір, картон, а також
пластмасу) для надання йому гладкості, лиску або глянцю (від франц.
саіапсіге — прокатувати, лущити).
190
Використовують як волого- та хімічностійкий матеріал для
ізоляції електродвигунів, занурених у воду.
Поліамідну плівку (ПАМ) випускають товщиною 0,05..,0,12 мм
і шириною 1200... 1300 мм. Вона має високу механічну міцність; не-
високі електричні параметри, які суттєво погіршуються при
нагріванні і впливі вологи; малу газопроникність; високу вартість.
Використовують як маслостійкий герметизу вальний матеріал, в
основному, в кабельній техніці для ізоляції проводів із зовнішнім
покриттям із полівінілхлориду і поліетилену.
П о л і к а р б о н а т н а плівка (ПК) використовується переваж-
но при виготовленні конденсаторів низької напруги, а також для
високовольтної ізоляції.
Плівка із е ф і р і в ц елюлозп — одна з перших полімерних
ізоляційних плівок. Її використовують для виготовлення малогаба-
ритних намотувальних конденсаторів низької напруги.
5.7.6. Електроізоляційні матеріали на основі каучуків
Полімери, які при нормальній температурі зазнають великих
оборотних деформацій розтягування (до багатьох сотень про-
центів), називають еластомерами. Еластомерами є всі каучуки і
гуми. На основі каучуку одержують також тверді гуми, які мають
відносне видовження на розрив всього декілька процентів (2...6%).
Такими є пластмаси на основі каучуку.
Каучуки бувають натуральні і штучні (синтетичні). Натураль-
ний каучук (НК) одержують із молочного соку (латексу) тропічних
рослин гевеї, каучуконосних чагарників коксагиз та ін. .За хімічним
складом це полімерний вуглець, що має структуру, яка характери-
зується наявністю подвійних зв’язків:
... — СІ-І2 — с - СН — СІП “ СІІ2 — с = сн — сн2 —...
СН2 СН2
Висока еластичність каучуку зумовлена зигзагоподібною фор-
мою ланцюжків його молекул. Під дією па каучук розтягували ного
зусилля форма ланцюжка наближається до прямокутної. В природ-
ному стані каучук — аморфна рідина, а в розтягнутому стані має
впорядковане розміщення молекул, характерне для кристалічних
тіл. Після зняття розтягу вального зусилля каучук знову набуває
аморфного стану. Натуральний каучук неполярний. Він легко роз-
чинюється в ефірі, бензині, мінеральних маслах; не розчиняється у
воді; при нагріванні до температури 90°С розм’якшується, а при
температурі нижче нуля стає твердим і крихким.
191
Сировиною для синтетичних каучуків (СК) є спирт, супутні про-
дукти нафтодобування, природного газу і нафтопереробки.
Найближчими за властивостями до натурального каучуку є синте-
тичні каучуки вуглеводневого складу: бутадієновий (СКБ), бу-
тадієнстирольнпй (СКС), бутилкаучук, У промисловості синтезують
ізопреновпй (СКІ), поліхлоропреновий, полісилоксановий каучуки.
Синтетичні каучуки поділяються на каучуки загального при-
значення (універсальні) і спеціального призначення (тепло-, морозо-,
масло-, кислотостійкі та ін).
Бутадієновий каучук (СКБ) одержують полімериза-
цією бутадієну в присутності каталізатора* (металічного натрію).
Він є каучуком загального призначення.
Недолікам [і є мала клейкість, що є перепоною для виготовлення
з нього електроізоляційної гуми. Використовують для виготовлення
ебонітових виробів і оболонок кабелів.
Б у т а д і є н с т и р о л ь н и й каучук (СКС) одержують смуль-1
сінною полімеризацією стиролу І бутадієну при температурі 50°С.
Цей каучук має високі діелектричні властивості, чинить опір тепло-
вому старінню і впливу багаторазових деформацій.
Бути л к а у ч у к одержують при сумісній поляризації ізобути-
лену та ізопрену. Він має високу механічну міцність, виражену
хімічну стійкість, газонепроникність, стійкість проти теплового
старіння, озоностійкість. Використовують для виготовлення елект-
роізоляційних гум.
Ізопреновпй каучук (СКІ) одержують полімеризацією
ізопрену в присутності каталізатора (літію або його сполук). Він є
замінником натурального каучуку і відноситься до груші каучуків
загального призначення. Має більш високу механічну міцність і
еластичність, ніж інші синтетичні каучуки, але менше склеювання,
ніж натуральний.
П о л і х л о р о п р е н о в и й каучук має такі властивості:
високу механічну міцність, близьку до натурального каучуку;.
підвищену стійкість проти впливу нафтових масел і технічних
розчинників;
високу стійкість проти впливу світла і озоностійкість;
за електричними властивостями поступаються іншим синтетич-
ним каучукам.
Використовують для захисних оболонок кабелів, які за воло-
гостійкістю не поступаються свинцевим.
Полісилоксановий каучук одержують на основі крем-
нійорганічпих сполук. Він має виражені діелектричні властивості,
високі гермо-, морозо-, світло- і озоностійкість; розчиняється у
* Каталіз (від грец, каіаіуяз— руйнування) — збудження хімічної реакції
або зміна її швидкості невеликими добавками речовин (каталізаторів).
192
вуглецях, концентрованих кислотах і лугах. Використовують для
виготовлення прокладок та ізоляції.
Натуральний і синтетичний каучуки в чистому вигляді не вико-
ристовуються, оскільки мають певні недоліки, до яких відносяться
мала стійкість проти вплив}' підвищених і знижених температур та
розчинників, мала міцність при розтягуванні, велике водо поглинання.
Для усунення цих недоліків каучук піддають вулканізації, яка
полягає у нагріванні каучуку з попередньо введеними вулканізуваль-
ними речовинами (сірка, металічний натрій, пероксид бензолу та ін.).
Під впливом підвищеної температури в каучуку виникає частковий
розрив подвійних зв’язків ланцюжкових молекул та їх «зшивання»
через атоми сірки. Залежно від кількості введеної сірки одержують
різні матеріали. При вмісту сірки 1,..3% одержують м’яку еластичну
гуму, а при 30...35% — пластмаси на основі каучуку (тверду гуму).
Крім каучуку і вулканізації для виробництва гум використову-
ють прискорювачі полімеризації (дифеніл, оксид цинку та ін.), на-
повнювачі (сажу, вуглецевий марганець, крейду та ін.), пластифіка-
тори (стеаринову та олеїнову кислоти, парафіни та ін.), барвники
(вохру, ультрамарин та ін.).
Гуми. Технологічний процес одержання гумових виробів скла-
дається з приготування сирої гуми, виготовлення напівфабрикатів
або виробів з сирої гуми, вулканізації виробів.
Для приготування сирої гуми каучук розрізають на шматки І
пропускають крізь вальці* для надання йому пластичності. Одер-
жану масу змішують з іншими компонентами у відповідних про-
порціях і одержують сиру гуму у вигляді однорідної пластичної і
малопружної маси. Сира гума легко піддається обробці тиском, роз-
чиняється в органічних розчинниках, при нагріванні стає клейкою.
Для виготовлення напівфабрикатів і виробів використовують
каландрування, безперервне видавлювання, пресування, лиття під
тиском, прогумовування тканин.
Кала н д р у в а н н я — процес одержання гладкої або візерун-
частої гуми при пропусканні сирої гуми через каландри.
Безперервне ви д а в л ю в а н н я виконують на мунд-
штучних* ** пресах для одержання профільних виробів.
Пресування викопують у прес-формах, які встановлюють-
ся на гідравлічні преси.
Я и т т я п і д тиско м здійснюється в машинах для лиття
холодного пресування, в яких гумову суміш видавлюють у форм}'
поршнем. Одержані заготовки мають підвищену вібростійкість і
добре сприймають знакозміині навантаження.
♦Робочі машини, які обробляють матеріал шляхом пропускання його
між обертальними валами (від нім. юаіге — вал, циліндр, каток).
**Мундштук — частина різних апаратів і машин у вигляді трубки або
наконечника, відкрита з одного боку.
7 «Електроматеріалознавство»
193
Вулканізацію заготовок здійснюють без нагрівання або з нагрі-
ванням до температури 12О...15О°С. Взагалі вулканізацію проводять
в атмосфері нагрітої пари при підвищеному тиску в спеціальних
котлах.
Гумі властива виражена вібростійкість, висока еластичність,
підвищена хімічна стійкість, достатня механічна міцність, добрі
електроізоляційні характеристики, стійкість проти спрацювання.
Вона добре поєднується в експлуатації з такими матеріалами, як
тканини, азбест.
До недоліків гуми відносять: низьку нагрівостійкість (при
підвищенні температури і вологості погіршуються діелектричні і
механічні властивості гуми, вона висихає і розтріскується); недо-
статню стійкість проти впливу нафтових масел та інших неполяр-
них рідин (бензину, бензолу тощо); нестійкість проти дії світла,
особливо ультрафіолетового; в присутності озону швидко старіє і
тріскається.
Використовують для виготовлення проводів і кабелів, прокла-
док, шайб, ізолювальних трубок, діелектричних рукавичок, елект-
ро і зо ля ці й ни X кил ИМ КІВ.
Пластмаси на основі каучуку. До основних пластмас на основі
каучуку відносять ебоніт, ескапон, есбодии, хлоркаучук та ізомери-
зований каучук.
Ебоніт — це тверда'гума, яку одержують при вулканізації
натурального каучуку або синтетичного бутадієн стирольного кау-
чуку, в який додають 25.,.30% сірки і наповнювачі (ебонітовий пил,
тальк та ін.).
Ебоніт має порівняно високі електроізоляційні властивості; він
стійкий проти дії кислот і лугів, не розчиняється в органічних роз-
чинниках, має високу лугостійкість і стійкість проти ударних на-
вантажень; незначне видовження при розриві, всього 2...6%. Ебоніт
добре обробляється різанням і полірується.
До недоліків ебоніту відносять низьку теплостійкість (зберігає
свої властивості в інтервалі температур 5О...8О°С), схильність до
холодної текучості; він старіє під дією тепла і світла.
Ебоніт випускають у вигляді пластин товщиною 0,5...32 мм, стерж-
нів діаметром 5...75 мм і трубок з внутрішнім діаметром 3...50 мм.
Ескапон одержують полімеризацією синтетичного бутадіє-
нового каучуку при підвищеному тиску і температурі 25О...27О°С у
прес-формах. Він не містить сірки.
За механічними і хімічними властивостями близький до ебоні-
ту, але має менші діелектричні втрати, підвищену нагрівостійкість;
не схильний до старіння.
Випускаються у вигляді плит товщиною до 20 мм, стержнів, трубок.
Використовується для виготовлення виробів, які працюють на
високих частотах, і ескапонових лакотканин.
194
А с б о д и н — це композиція па основі каучуку, азбестового во-
локна і залізного сурику з вулканізувальними добавками. Він має
підвищену нагріве- і лугостійкість, стійкий проти дії плісеней,
надійно працює у тропічних умовах, має також знижену текучість і
тривалість термообробки в прес-формах (приблизно 16 год).
Використовують як низьковольтний ізоляційний матеріал.
X л о р к а у ч у к одержують при хлоруванні каучуку. Він має
добрі електроізоляційні властивості, стійкість проти дії кислот,
лугів, хлору, але розчиняється в ароматичних вуглеводнях; негорю-
чий і має низьку нагрівостійкість.
І з о м е р и з о в а н и й к а у ч у к одержують при обробці каучу-
ку в присутності кислого каталізатора — сірчаної кислоти. Він має
електроізоляційні властивості і водостійкість вищі, ніж у хлоркау-
чуку, стійкий проти дії кислот, лугів і розчинників.
5.7.7. Лаки та емалі
Лаки — це колоїдні розчини плівко подібні ех речовин у відповід-
них летючих розчинниках.
Основні складові лаку:
плівкоподібпі речовини, здатні утворювати плівку (рослинні
висихаючі масла, смоли, бітуми, ефіри целюлози, поліефіри! і
крем н і йо рган і чи і с полу к и);
розчинники (бензол, толуол, спирт, сірковуглець, ацетон та ін.;
пластифікатори — речовини, що надають плівці пластичності
(рицинове масло);
сикативи* — тверді або рідкі речовини, які вводять у деякі лаки
для прискорення висихання;
барвники;
розріджувачі, які добавляються для одержання консистенції відпо-
відно до вимог технічних умов (лаковий кероспн, бензин, скипидар).
При сушінні лаку розчинник вивітрюється, а плівкоутворювач у
результаті хімічної реакції переходить у твердий стан, утворюючи
лакову плівку. За режимом сушіння електроізоляційні лаки поділя-
ються на лаки холодного і гарячого сушіння.
Лаки холодного сушіння добре висихають при кімнатній
температурі 2О...25°С. Лаки гарячого сушіння набувають опти-
мальних властивостей при температурі сушіння вище 70°С. Вони,
як правило, мають вищі електричні й механічні властивості. с
Для сушіння лаків, основу яких складають термореактивні
смоли, потрібно нагрівання. Лаки з термопластичною основою не
вимагають сушіння при високій температурі. Якщо до складу лаку
*Речовпна, що прискорює висихання лакофарбних матеріалів (від
латин, зіссаіїяиз — висушу вальний).
7*
195
входить високотемпературний розчинник (гас), необхідне сушіння
при високій температурі незалежно від виду лакової основи. Для
лаків з легковий ару вальни ми розчинниками вибір способу сушіння
визначається плівкоподібною основою.
За призначенням електроізоляційні лаки поділяють на просочу-
вальні, покривні й клейкі.
Один і той же лак може використовуватись як просочувальний,
покривний і клейкий.
Просочувальні лаки використовують для просочення
пористої і волокнистої ізоляції. Виготовляють просочувальні лаки
холодного і гарячого твердіння.
Просочувальні лаки повинні мати необхідні ізоляційні, вира-
жені просочувальні і цементувальні властивості, швидко твердіти і
нормально функціонувати в діапазоні робочих температур.
У процесі просочення повітря витискується з пор і запов-
нюється лаком, який після висихання має більш високі електричну
міцність і теплопровідність, ніж повітря. Після просочення у
ізоляції підвищується пробивна напруга; збільшується тепло-
провідність, що важливо для відведення тепловтрат; зменшується
гігроскопічність; поліпшуються механічні властивості.
Органічна ізоляція меншою мірою піддається окислювальному
впливу повітря, що підвищує її нагрівостійкість.
До просочувальних лаків відносять кремлі йоргапічн і, бітумно-
масляні, масляно-алкпд ні та ін.
Кремнійоргапічні лаки використовують для просочення скля-
ної обмотки проводів кабелів і виготовлення склотекстоліту.
Бітумно-масляні лаки складаються Із суміші чорних і масляних
лаків.
До складу чорних лаків входять бітуми, які визначають чорний
колір рідкого лаку і лакової плівки. Бітуми бувають природними
(копалини), які називаються асфальтами, і штучними (нафтові) —
це важкі продукти перегонки нафти. Чорні лаки дешевші масляних,
утворюють менш гігроскопічні плівки, але вони менш еластичні і
більш піддаються дії розчинників, а при нагріванні мають
схильність до розм’якшення. Для електроізоляційних потреб вико-
ристовують бітумно-масляні лаки.
Як розчинники для бітумно-масляних лаків використовують
ароматичні вуглеводи (бензол, толуол та ін.), а також скипидар.
Ароматичні вуглеводні шкідливі для організму людини, особливо
бензол, тому частіш за все їх використовують у суміші з бензином.
Бітумно-масляний лак використовують для виготовлення ла-
котканин.
Масляно-алкідні лаки одержують взаємодією багатоосновних
карбонових кислот з багатоатомними спиртами.
Основні властивості деяких просочених лаків наведені в табл. 5.5.
196
Таблиця 5.5
Основні властивості просочених лаків
Класифікація за основою Термоеластич* ність при тем- пературі 105°С - » Електричні характеристики при температурі 20°С Режими висихання Характеристика і галузь використання
р, Ом-м Епр, МВ/м темпера* тура су- шіння, °С час сушіння
Масляно- бітумні 5...12 10і2 55...Є2 105 2... 10 год Лаки з високою просо- чувальною здатністю, підвищеною еластич- ністю, вологостійкістю плівок. Нагрівостій- кість — 105 °С
Масляно- глпфталеві 48 1012 60...72 105 35 хв... ...2 год Просочувальний і по- крившій лак для просо- чення обмоток, які пра- цюють в маслі. Наїріво- стійкість — 130°С
Кремній- ор гай ічпі 60...250 (при 180°С) юіио13 60...80 200 12 хв... ...Ігод Просочувальні лаки. Плівки мають підви- щену вологості й кість
Алкидно- рсзольпі 30...60 10І2 75 120 2 год Просочувальний і по- кривний лак для про- сочування обмоток, що працюють у маслі. Плівки мають підви- щену цементувальну властивість. Нагріво- стійкість — 130°С
ПоліефІрні 48...50 (при 180°С) : 1012 80.,.90 130...150 30хв... ...2 год Просочувальні лаки з підвищеною твердістю і водостійкістю плівок. Нагрівостійкість— 155°С
Олігосфірш —* ІОНЛО12 30...37 125 25 хв (в тов- сто му шарі) Лак без розчинників для просочування об- моток. Нагрівостій- кість — 155 °С
3 епоксид- ною смолою 1О11...1О^ 33...85 125 6 хв (в тов- стому шарі) Лак без розчинників для просочування обмоток. Плівки мають підви- щену вологостійкість. Нагрівостійкість —155 С
Дефінілок- сиднин 50 1013 90 200 ЗО хв Просочувальний лак з підвищеною маслостій- кістю і цементувальною здатністю. Нагрівостій- кість — 180°С
197
Покривні лаки використовуються для захисту виробів від
впливу атмосферної вологи і парів агресивних речовин. До покрив-
них лаків висувають такі вимоги:
високі електроізоляційні властивості (електрична міцність по-
винна бути більшою напруженості поля, що виникає при електрич-
ному пробою; питомий об’ємний і поверхневий опір у робочому
діапазоні температур повинен бути не менше 10й Ом-см);
висока теплостійкість;
висока радіаційна стійкість;
не повинні викликати додаткових механічних напружень
внаслідок різниці коефіцієнтів лінійного розширення і усадки при
сушінні й полімерізації;
високі стійкість проти вологи і густина, що захищають поверх-
ню від проникнення води та інших речовин;
виражене прилипання до покривних поверхонь;
для оптичних електронних пристроїв вони повинні мати такі
оптичні властивості, як прозорість у робочій області спектра і висо-
кий показник заломлення, які не повинні погіршуватися під впли-
вом різних кліматичних факторів;
процес нанесення захисного покриття не повинен впливати на
електричні характеристики приладу та погіршувати його надійність;
повинні покращувати зовнішній вигляд і перешкоджати забруд-
ненню поверхонь.
До покривних відносять такі лаки: кремнійорганічні на поліві-
нілацетатній та на поліуретановій основі, масляні, поліамідний і
поліімідиий, а також целюлозні.
Кремнійорганічні лаки використовують для виготовлення
нагрівостІпких обмотко в их проводів зі скловолокнистою ізоля-
цією; для захисту р-п-переходів, печатних плат, ізоляційних деталей
з гетинаксу, склотекстоліту; для теплостійких прозорих покриттів
напівпровідникової техніки.
Лаки на полівінілацетатній та на поліуретановій основі викори-
стовують для виготовлення мідних емальованих проводів.
Масляні лаки виготовляють на основі висихаючих масел, які в
результаті складного хімічного процесу, пов’язаного з поглинанням
маслом деякої кількості атмосферного кисню, а також впливу освіт-
лення І нагрівання, утворюють тверду, блискучу, міцно зчеплену з
підкладкою плівку. Для прискорення процесу висихання до складу
лаку вводять сикативи (сполуки свинцю, кальцію, кобальту та ін.).
Найбільш поширеними висихальними маслами є льняне і тунгове.
Масляні лаки використовують для виготовлення обмоток про-
водів.
Поліамідний лак використовують для підвищення нагрівостій-
кості ізоляції обмоткових проводів, які працюють при температурі
200...220°С.
198
Поліамідний лак використовують для міжшарової ізоляції
тонких плівок у гібрпдноплівкових інтегральних схемах і виготов-
лення фольгованпх діелектриків.
Целюлозні лаки — це розчини термопластичних ефірів целю-
лози, які у більшості випадків сохнуть при кімнатній температурі.
Найчастіше використовують нітроцелюлозні лаки (нітролаки),
які мають високу механічну міцність; виражену стійкість проти
впливу повітря, вологи, масел; блиск.
Проте нітролаки погано прилипають до металів, тому при на-
несенні їх на металеві поверхні використовують підшар із «ґрун-
тового» лаку, який добре зкріплюється з металом, але менш
стійкий проти впливу повітря, світла і вологи.
Нітролак використовують також для просочення бавовняних
обплетень проводів.
Емалі. Емалі -- це різновид покривних лаків, до складу яких
вводять неорганічний наповнювач — пігмент. Останні підвищують
твердість, теплостійкість, вологостійкість покриттів і надають їм
відповідного кольору. Як наповнювачі використовують залізний
сурик, оксиди цинку, титану та ін.
Емалі на епоксидних лаках мають добру адгезію і нагріво-
стійкість до температури 150°С. Емалі на основі кремнійор-
ганічних лаків мають високу нагрівостійкість до температури
180...200°С.
Емалі використовують, в основному, для захисних покриттів
різних деталей і елементів радіоелектроніки і для декоративного
опорядження корпусів електрорадіотехнічних приладів.
Лаки і емалі маркують буквеїшо-цифровимн позначеннями.
Буква означає хімічну основу основного компоненту лаку, перша
цифра вказує на призначення лаку, а наступні — його порядковий
номер у відповідній групі. Наприклад, позначення лаку ПЕ-993
розшифровується так: ІІЕ — поліефірний, 9 — електроізоляційний,
93 порядковий помер у групі тюліефірних лаків.
Лакофарбні покриття. Нанесення рідких лаків, компаундів і
емалей з подальшим їх затвердінням є одним з перших методів за-
хисту поверхні і належить до найбільш простих і поширених спо-
собів захисту при складанні виробів електронної техніки.
До захисних лакофарбних покриттів ставляться такі вимоги: ве-
ликий питомий електричний опір р; мала хімічна активність; добре
зчеплення з поверхнями захисних виробів; висока механічна
міцність; здатність зберігати свої властивості в широкому інтервалі
температур від -60 до +150°С; не містити активних компонентів;
не дуже великий час сушіння і полімерізації; термін працездатності
і термін зберігання зручні для виробництва.
Кожне покриття має переваги і недоліки. Немає такого ма-
теріалу, який зміг би задовольнити всі вимоги, що ставляться до
199
захисних покриттів. Тому вибір покриття визначається конкретни-
ми даними приладу і умовами його експлуатації.
Лакофарбні покриття класифікують за матеріалом покриття,
зовнішнім виглядом поверхні покриття (клас покриття) і за умо-
вами експлуатації (група покриття).
Для фарбування використовують декоративно-покривні лаки,
що утворюють гладкі поверхні: перхлорвінілові, гліфталеві, нітро-
целюлозні та інші, візерунково-декоративні: кристалічний лак
«Мороз», муар-лак і молоткова емаль, яка має високу міцність І
красивий вигляд (ніби-то сліди чеканки молотком).
За зовнішнім виглядом покриття поділяють на глянцеві,
напівглянцеві й матові.
Група покриття вибирається за умовами експлуатації: атмосфе-
ро-, хімічно-, і маслостійкі.
Технологічний процес одержання лакофарбних покриттів скла-
дається з таких операцій: підготовка поверхні під покриття, ґрунтуван-
ня, шпаклювання, нанесення основного шару лаку або фарби, сушіння.
Підготовка поверхні під покриття складається з очи-
щення її від продуктів корозії і забруднень .(хімічним або ме-
ханічним способом) і ретельного знежирення.
Грунтовка складається з нанесення шару ґрунту товщиною
приблизно 20 мкм, який сприяє адгезії між металом і подальшими
шарами лакофарбних покриттів. Для ґрунтування використовують
лакові і масляні (свинцеві та залізний сурик на оліфі) покриття.
Матеріал для ґрунтування наносять розпилюванням, занурення
зразка в рідину для ґрунтування або за допомогою щітки.
Шпаклівка* використовується для вирівнювання заґрун-
тованої поверхні. Шпаклівку наносять на поверхню за допомогою
шпателя** або фарборозпилювача. При використанні фарборозпи-
лювача шпаклівку розбавляють розчинником. Після її нанесення
поверхню сушать і шліфують дрібнозернистим абразивним***
папером. •
Нанесення лакофарбних покриттів виконують
за допомогою щітки, зануренням деталей, розпилюванням або
шприцом для захисту напівпровідникових кристалів з р-и-пере-
ходами.
* Пастоподібна маса, яка складається з пігментів, наповнювачів і лаків,
до яких додають або не додають пластифікатор.
**Лопатка для перемішування і розтирання фарби, для заробленая
тістоподібною масою щілин, заглиблень тощо.
***Дрібнозерниста речовина високої твердості (алмаз, корунд), які ви-
користовуються для механічної обробки (шліфування, полірування та ін.)
металів, керамічних матеріалів, гірських порід та ін. (від латин. аЬгазіо —
зіскоблювання).
200
Фарбування щіткою є малопродуктивним процесом і викорис-
товується при покритті лаками, які повільно сохнуть.
Нанесення покриттів зануренням використовують для деталей,
які мають зручну для стікання фарби форму. При цьому способі
одержують нерівномірну за товщиною плівку, а також значну вит-
рату матеріалів.
При нанесенні покриттів розпилюванням продуктивність про-
цесу збільшується в 7... 12 разів і підвищується якість обробки по-
верхні, проте процес супроводжується великою витратою матеріалу
і вимагає спеціального устаткування.
Сушіння — заключний етап і може виконуватись на повітрі,
при кімнатній температурі або в сушильних шафах.
Одночасно з простотою одержання лакофарбні покриття мають
такі недоліки: тривалість циклу твердіння; невідтворення резуль-
татів залежно від партії лаку; слабка міцність деяких матеріалів
при циклічних змінах температури; низька вологостійкість;
розтріскування і відшарування при низьких температурах; створен-
ня в приповерхневому шарі напівпровідникового кристалу значних
механічних напружень, які впливають на стабільність електричних
параметрів готових приладів,
Як правило, лаками покривають металеві деталі: каркаси при-
ладів і пристроїв, кожухи, рами, пластини, кріпильні деталі, а також
поверхні напівпровідникових кристалів з р-и-переходами.
Клейкі лаки використовують для склеювання між собою
твердих матеріалів (фольгованих діелектриків, листів пакетів
трансформаторів, пластинок розщепленої слюди та ін.).
Загальними вимогами щодо клейких лаків є висока клегоча
здатність, добрі електричні й механічні властивості, висока адгезія і
технологічність.
До клейких лаків відносять иоліуретанові, епоксидні та клеї на
основі фенол формальдегідної смоли, карбонільний клей і гліфтале-
вий лак.
ПолІуретанові клеї відрізняються високою вологостійкістю і
використовуються для склеювання пластмас, стекол, кераміки, тка-
нин, гум, металів. ПолІуретанові клеї використовують до темпера-
тури І50°С.
Епоксидні клеї холодного і гарячого (при температурі 200°С)
твердіння використовують для вирівнювання коефіцієнтів лінійно-
го розширення клею і відповідного матеріалу Для цього в епоксид-
ну смолу вводять наповнювачі (фарфорове борошно, молотий
кварц, цемент оксид алюмінію та ін.).
Вони мають високу адгезію, дають міцний шов і використову-
ються для склеювання пластмас, стекол, кераміки та ін.
Основні властивості деяких покривних лаків і емалей наведені
у табл. 5.6.
201
Таблиця 5.6
Основні властивості деяких електроізоляційних покривних лаків
Класифікація за основою Термоеластич- ність при тем- пературі 105°С Електричні характеристики при температурі 20°С Режими висихання Характеристика і галузь використання
р, Ом-м Епр. МВ/м темпера- тура су- шіння, °С час сушіння
Масляні От до 1О1о...1О12 55...72 210 10... 12 хв Лаки на масляній ос- нові. Нагрівостійкість 105°С. Для ізоляції ли- стів електротехнічної сталі та інших метале- вих деталей
Масляно- бітумні 1...2 1010...1012 40...52 20 2.5... ...12 год Покривні лаки повіт- ряного сушіння. Нагрі- востійкість 105°С. Длд покриття просочених обмоток електричних машин і апаратів
Кремлій - органічні 50... 100 (при 20(ГС) 1О12..ЛО13 60...75 200 15 хв... ...1,5 год Електроізоляційні по- криття листів електро- технічної сталі та інших металевих деталей. На- грівостійкість 180°С
Епоксидні модифіко- вані 100 ІО'Е.ЛО'2 50...60 180 1,5... ...2 год Вологостійкі з підвище- ною твердістю електро- ізоляційні лаки обмоток і пластмасових деталей. }І а грівості й к їсть 130° С
Поліефірні 40...50 (при 180 С 10'2 70...75 80...90 4...5 год Вологостійкі і масло- стійкі електроізоля- ційні покриття на ме- талевих, пластмасових та інших деталях. На- грівостійкість 120°С
Клеї на основі фенолформальдегідної смоли з полі вініл бутира-
лем марок БФ використовують для приклеювання напівпровідни-
кових зливків, пластин і кристалів.
Карбонільний клей — це в’язка рідина жовтого кольору, в яку
перед споживанням вводять каталізатор (пероксид бензолу), після
чого він може зберігатись 4...6 год.
Карбонільний клей має відносно високу механічну міцність; стій-
кий проти впливу масел, гасу, бензину; недостатньо водостійкий.
Його використовують для склеювання керамічних матеріалів.
Гліфталевий лак —• це синтетична алкідна смола, модифікована
каніфоллю і рослинним маслом, яка має високу клейову здатність і
високу міцність шва. Використовується для приклеювання пластин
і кристалів напівпровідникових матеріалів до підкладки.
202
5,7.8, Компаунди
Компаунди* — це механічні суміші із електроізоляційних ма-
теріалів, що не містять розчинників.
Порівняно з лаками компаунди забезпечують кращу волого-
стійкість і вологонепроішкність ізоляції, оскільки при охолодженні
після просочення повністю твердіють без слідів випарного розчин-
ника; підвищення потужності апарата за рахунок кращих умов
відведення тепла.
У первинному стані компаунди можуть бути рідкими або твер-
дими.
У рідкі компаунди перед вживанням вводять затвердите.
При цьому вони поступово твердіють, перетворюючись у мо-
нолітний твердий діелектрик. Властивості компаунду залежать не
тільки від первинної смоли, але й від виду затвердника. Компаунди,
які складаються тільки з смоли і затвердника, як правило, мають
високий коефіцієнт термічного розширення. При ізоляції метале-
вих деталей за допомогою такого компаунду виникають значні
внутрішні напруження, що призводять до розтріскування ізоляції.
Для усунення внутрішніх напружень у компаунд вводять наповню-
вач, який зменшує усадку і поліпшує теплопровідність компаунду.
Твердий компаунд попередньо нагрівають при відповідній
температурі для одержання маси з певною в’язкістю.
Залежно від виду смоли компаунди можуть бути термопластич-
ними або термореактивними.
Термопластнч ні компаунди розм’якшуються при нагрі-
ванні і твердіють при охолодженні. При цьому температура просо-
чення не повинна викликати термічного руйнування виробу і
витікання компаунду при роботі.
Термореактивні компаунди у первинному стані є ріди-
нами. Для підвищення нагрівостійкості, механічної міцності й
зменшення схильності до розтріскування в термореактивні компа-
унди вводять наповнювачі (кварц, фарфорове борошно). Вони, як
правило, мають більш високу нагрівостійкість порівняно з термо-
пластичними, оскільки при нагріванні твердіють невідновно, тобто
уже не розм’якшуються. Проте залиті термореактивним компаун-
дом деталі у більшості випадків перемо нтопридатні і при пошкод-
женні залитої деталі потрібна її заміна.
За призначенням компаунди поділяються на просочувальні і
заливочні.
Просочувальні компаунди, як і аналогічні лаки, викори-
стовують для просочення пористих і волокнистих матеріалів.
*ІзоляціЙний матеріал із асфальтових і парафінистих речовин і масел
(від англ. сотраііші — складовий, змішаний).
203
Просочення може проводитись при атмосферному тиску
(вільне просочення), під тиском або у вакуумі.
Просочування при атмосферному тиску використовують у тих
випадках, коли просочувальна речовина має найбільшу в’язкість.
Просочування під тиском застосовується при використанні'
в’язких просочувальних компаундів з наповнювачами. Вироби при
цьому піддаються вакуумному сушінню для видалення повітря та
парів води, а потім у цьому ж резервуарі (для виключення проник-
нення повітря в пори вакуумного виробу) просочують компаундом
під тиском. Для створення надлишкового тиску використовують
нейтральний газ (аргон, азот та ін.), оскільки атмосферне повітря
викликає підвищення кислотності просочувальних компаундів.
Цей спосіб забезпечує проникнення просочувальної рідини в гли-
бокі і вузькі пори.
Просочування у вакуумі здійснюється одночасно з сушінням в
спеціальних установках. 1
Заливальні компаунди використовують для заповнення
порівняно великих порожнин і проміжків у різних деталях, а також
для нанесення порівняно товстих покриттів па деталі, вузли і бло-
ки. Для заливання вироби поміщають у спеціальні форми і залива-
ють компаундом так, щоб він повністю оточував виріб. Після
закінчення процесу твердіння заливного матеріалу форма вида-
ляється. При цьому утворюється гладка однорідна поверхня, яка
повторює поверхню форми.
Для одержання шару компаунду на поверхні виробів застосову-
ють вібровихровий спосіб (рис. 5.4). На пористу перегородку в спе-
ціальній завантажувальній камері розміщують подрібнений в тонкий
порошок шар компаунду. За допомогою стиснутого повітря і вібрації
в камері утворюється суспензія порошку у повітрі, нагадуючи ззовні
Рис. 5.4. Схема нанесення захисного
покриття в псевдозрідженому шарі:
1 — псевдозріджений порошкоподібний компаунд;
2~ нагрітий виріб; 3— пориста перегородка; 4 — камера
киплячу рідину (псевдо-
зріджений шар). Порошок
осідає на поверхню розмі-
щених у камері на корот-
кий час нагрітих виробів і,
оплавлюючись, осідає на
них. Вироби з нанесенним
шаром порошку витриму-
ють при певній темпера-
турі протягом декількох
годин для оплавлення і
полімеризації компаунду.
Найбільш поширені
синтетичні компаунди —
епоксидні, кремнійорга-
нічні, поліесрірні.
204
І
Епоксидні компаунди — це модифікації епоксидних смол з
затвердниками, пластифікаторами і наповнювачами.
Епоксидні компаунди добре прилипають до металів, кераміки,
пластмас і волокнистої ізоляції; мають підвищену механічну
міцність; малу об’ємну усадку (0,5...2,5%); можуть переходити з
рідкого у твердий стан при високих температурах, приблизно
12О...14О°С (залежно від затверджувана). «Термін життя», тобто
час, протягом якого приготовлена рідка маса зберігає текучість, у
деяких компаундів досягає 4 год.
Застосовують як заливну суміш для виготовлення трансформа-
торів, які працюють у складних умовах, блоків опорів замість
громіздких фарфорових і металевих деталей, у виробництві напів-
провідникових приладів та інтегральних схем для герметизації
кристалів.
К р е м н і й о р г а н і ч н і компаунди — це в’язкі рідини, які піс-
ля полімеризації перетворюються в пружні тверді речовини.
Кремиійорганічиі компаунди мають високі діелектричні та ме-
ханічні властивості, малу в’язкість, високу просочувальну здатність,
нагрівостійкість до температури 350°С, холодостійкість до “60°С.
Використовують для герметизації напівпровідникових при-
ладів й інтегральних схем за методом трансферного пресування і
заливанням в форми.
П о л і е ф і р н і компаунди виготовляють на основі ненасичених
поліефірів у поєднанні зі стиролом, метилметакрилатом та іншими
мономерами. Органічні пероксидп використовують як каталізатори
для твердіння. Поліефірні компаунди схильні до усадки (до 6%).
Застосовують для герметизації оптичних електронних приладів
і інтегральних схем.
5.7,9, Флюси
Флюси — це допоміжні матеріали для отримання якісного і
надійного паяння.
Вони повинні:
добре змочувати поверхні металу і покращувати розтікання
припою;
розчиняти і видаляти оксиди І забруднення з поверхні з’єдну-
вальних деталей;
захищати у процесі паяння поверхню металу і розплавлений
припій від окиснення, утворивши рідку або газоподібну зону;
знижувати поверхневий натяг розплавленого припою для по-
крашення змочування основного металу;
не викликати корозії;
не змінювати свого складу при температурі паяння;
легко видалятись з поверхні після паяння.
205
За впливом на з’єднувальні поверхні та флюси поділяються на
активні (кислотні), безкислотні, активовані та антикорозійні.
Активовані (кислот н і) флюси інтенсивно розчиняють
кислотні плівки на поверхнях з’єднувальних деталей, забезпечуючи
добру адгезію і механічну міцність паяння. Оскільки основу цих
флюсів складають активні речовини (соляна кислота, хлористі та
фтористі сполуки металів), залишки флюсу після паяння виклика-
ють інтенсивну корозію спаю і основного металу. Тому активні
флюси застосовують тільки у випадку, коли можливе старанне про-
мивання і повне видалення їх залишків.
При монтажному паянні радіоелектронної апаратури викорис-
товувати активні флюси не рекомендується.
Б е з к и с л о т н і флюси — це каніфоль і флюси, виготовлені
на її основі з додаванням неактивних компонентів (спирту, гліцери-
ну). Залишки безкислотних флюсів не викликають окпснення
місця паяння і не змінюють електричний опір ізоляції (наприклад,
флюси КС, ФПП).
Активовані флюси виготовляють на основі каніфолі з додаван-
ням активаторів (невеликої кількості саліцилової кислоти, соляно-
кислого діетиламіни, солянокислого або фосфорнокислого аніліну
та ін.). Висока активність деяких активованих флюсів дозволяє ви-
конувати паяння без попереднього видалення оксидів після знежи-
рення. Проте при лаянні за допомогою флюсів цього типу місця па-
яння потрібно промивати розчинниками.
Антикорозійні флюси виготовляють на основі органічних
кислот, фосфорної кислоти з додаванням різних органічних сполук
і розчинників. Залишки цих флюсів не викликають корозію (на-
приклад, флюс ВТС).
5.8. ТВЕРДІ НЕОРГАНІЧНІ ДІЕЛЕКТРИКИ
До твердих неорганічних діелектриків відносять стекла; скло-
кристалічні матеріали, які одержують з використанням спеціальної
термообробки скла; оксидні електроізоляційні плівки; кераміку;
слюду і матеріали па їх основі.
5,8.1. Скло
Стекла — тверді неорганічні аморфні речовини, що являють со-
бою складні системи різних оксидів, атоми яких не можуть вільно
переміщуватись один відносно іншого. Іноді такий стан речовини
називають склоподібним.
За положенням у структурі скла і за впливом на процес скло-
утворення оксиди поділяють на оксиди-склоутворювачі, оксиди-
модифікатори і проміжні оксиди.
Оксиди- скло утворювачі здатні утворювати скло у чи-
стому вигляді. До таких оксидів відносять 8 іО2, В2О3, Р2О3, СеО?
та ін. За назвою склоутворювальних оксидів інколи називають і
самі стекла. Наприклад, стекла на основі оксиду 8ІО2 називають
силікатними.
При варінні скла склоутворюючі оксиди сприяють розвитку
процесів конденсації, а решта оксидів приєднуються до молекуляр-
них ланцюжків і утворюють з ними набір елементарних комірок,
надавши виробу певні фізико-механічні властивості.
Оксиди-модифікатори вводять до складу стекол за
технологічними вимогами, наприклад, для підвищення в’язкості,
покращення оброблюваності, зниження температури варіння та ін.
До них відносяться лужні оксиди N320, К2О, лужно-земельні окси-
ди СаО, ВаО.
Проміжні оксиди не утворюють стекол, але можуть на-
давати їм різних властивостей. Наприклад, деякі добавки надають
стеклам певного забарвлення: СоО — синього, ІЮ2 — жовтого,
СГ2О3 — зеленого, що використовується при одержанні кольорових
стекол і глазурей. Завдяки вмісту домішок оксидів заліза більшість
технічних стекол сильно поглинають ультрафіолетові промені.
Стекла та інші аморфні матеріали не мають чітко означеної
температури плавлення. При нагріванні в’язкість скла зменшується
і воно поступово переходить у рідкий стан. Цей перехід виникає у
деякому температурному інтервалі Н...^2: Н — температура, при якій
скло втрачає (при розм’якшенні) або набуває (при охолодженні)
властивість крихкості; І2 — температура, при якій із маси скла мож-
на витягувати нитки. Чим більший температурний інтервал ?і..Д2,
тим нижчі діелектричні властивості скла.
Скло одержують при швидкому охолодженні розплавленої
суміші оксидів (скломаси). У цьому випадку молекули не встига-
ють утворювати кристалічну ґратку і залишаються закріпленими у
випадкових положеннях у момент підвищення в’язкості.
Розм’якшене в процесі нагрівання скло обробляється видуван-
ням, витягуванням, пресуванням або литтям. Нагріті до достатньо
високої температури скляні деталі можуть приварюватись одна до
одної, а також до деталей з інших матеріалів (металів, кераміки
тощо).
Вироби зі скла піддають випалу для усунення механічних на-
пружень, які виникають у склі при швидкому і нерівномірному ос-
тиганні. В процесі випалу вироби нагрівають до певної температу-
ри, а потім повільно охолоджують. Властивості стекол змінюються
в широких межах залежно від їх складу і режиму теплової обробки.
До основних параметрів, які характеризують скло, відносять
міцність, твердість, електричні й теплові властивості, хімічну
стійкість.
207
Густина стекол коливається від 2 до 8 г/см3, а звичайних
силікатних стекол доходить до 2,5 г/см3. Густина найтяжчих свин-
цевих стекол, які містять до 80% оксиду свинцю РЬО, приблизно
дорівнює густині заліза (близько 8 г/см3). Кварцове скло, яке •<
складається тільки з оксиду кремнію 8ІО2, має найменшу густину
(2,3 г/см3).
Механічні властивості стекол визначаються грани-
цею міцності при розтягуванні і стисканні. Границя міцності скла
при розтягуванні не перевищує 83-106 Н/м2 і збільшується при
підвищенні вмісту у ньому кремнезему 8ІО2 і оксиду кальцію СаО.
Лужні оксиди знижують міцність скла. Набагато краще скло опи-
рається стисканню; границя міцності звичайного скла при цьому
дорівнює 90-107 н/м2, тобто більш ніж у 10 разів більша границі
міцності при розтягуванні. Правильний випал підвищує міцність
скла щодо розтягування і стискування. Міцнісні особливості скла
при розтягуванні і стискуванні враховуються при конструюванні ‘
металоскляних спаїв.
Твердість скла — це його здатність чинити опір дряпан-
ню. Скло має значну твердість, але погано переносить ударні наван-
таження. Найбільшу твердість мають боросилікатні стекла, що
містять приблизно 15% борного ангідриду В2О3, а найм’якші —•
свинцеві стекла. Твердість скла має велике значення при його
різанні, шліфуванні, свердлінні та інших видах механічної обробки.
Скло відноситься до особливо крихких матеріалів. Найменшу
крихкість має боросплікатне скло.
Електричні властивості стекол залежать від хімічно-
го складу і термообробки. При нормальній температурі питомий
електричний опір стекол р змінюється від 106 до 10і5 Ом-м, але у де-
яких стекол р може становити 103 Ом-м. Великий вміст оксидів
лужних металів у складі скломаси суттєво знижує об’ємний опір
скляних деталей. При температурі 200°С він зменшується в 104
разів порівняно з питомим електричним опором при нормальній
температурі. Введення оксидів двовалентних металів знижує елек-
тропровідність скла на декілька порядків, і вона менш інтенсивно
змінюється відповідно до змін температури.
Діелектрична провідність стекол є залежить від їх складу і тем-
ператури. У проміжку температур 2О...6О°С її зміна незначна, а
починаючи з температури 110°С у лужних стекол різко зростає про-
никність. Найменшу діелектричну проникність є має чисте кварцо-
ве скло (є = 3,7). Найбільш високі втрати спостерігаються у лужних
стекол. Вміст лужних оксидів (ИагО більшою мірою, ніж К2О)
підвищує діелектричну проникність силікатних стекол.
Із теплових властивостей стекол найбільше значення має темпе-
ратура розм’якшення Гроз, температурний коефіцієнт лінійного
розширення ТК/, коефіцієнт термічного розширення КТР.
208
За температуру розм’якшення скла приймають температуру,
при якій його в’язкість становить 1О7...1О8 Па-с. Температури
розм’якшення більшості стекол від 350 до 1700°С (при температурі
біля 1700°С розм’якшується кварцове скло, що містить 100% 8ІО2).
Скло є поганим провідником теплоти. Теплопровідність його
змінюється зі зміною температури. При підвищенні температури
вона підвищується, а при температурі розм’якшення збільшується
приблизно у 2 рази порівняно з теплопровідністю, яку має скло при
кімнатній температурі.
Температурний коефіцієнт лінійного розширення стекол ТК/
змінюється від 5,5-Ю'7 до 150-10'7 К*1. Цей коефіцієнт важливий
для оцінки стійкості стекол проти термоударів: чим менше ТК/, тим
більше стійкість скла проти термоударів. Значення ТК/ стекол вра-
ховується при їх сполученні з іншими матеріалами або при нане-
сенні склоемалі на різні поверхні. ТК/ скла і сполучуваних з ним
матеріалів повинні бути приблизно однакові.
Належність стекол до молібденової або вольфрамової групи по-
яснюється близькістю ТК/ цих стекол до ТК/ молібдену і вольфра-
му, які широко застосовуються в електровакуумних приладах.
Коефіцієнт термічного розширення КТР коливається від 5-Ю'8
до 8-Ю’7 1/°С. Найменший КТР має кварцове скло. Стекла з неве-
ликим КТР добре витримують різкі коливання температури. При
введенні в скло лужних оксидів його КТР значно підвищується.
Збільшення вмісту 8іО? і В2О3 до 15% знижує КТР скла. У елект-
ровакуумному і напівпровідниковому виробництві стекла кла-
сифікують за ТКР.
До твердих або тугоплавких стекол відносять стекла, які мають
КТР не більше 55-10-7 1/°С. Тугоплавкі стекла мають боросилікат-
ний або алюмосилікатний склад, високі діелектричні властивості,
термостійкість і температуру розм’якшення, а також механічну
міцність.
До м’яких або легкоплавких відносять стекла з КТР вище
60-10’7 1/°С. Легкоплавкі стекла мають свинцевий, баритовий або
магнезіальний склад і використовуються для виготовлення колб,
ніжок тощо.
У марках стекол (наприклад, С52-.1) буква С означає скло, двоз-
начне число — його КТР, а остання цифра — порядковий номер роз-
робки даної марки скла.
Коефіцієнт термічного розширення скла ТКР, як правило, виз-
начають методом подвійної нитки. В полум’ї газового пальника
виготовляють спай двох стекол — еталонного і досліджуваного, а
потім із спаю витягують нитку. При рівності КТР еталону і зразка
нитка після охолодження залишається прямою, а при різниці —•
вигинається.
Хімічна стійкість скла також залежить від його складу.
209
Скло має порівняно високу хімічну стійкість, але вода, луги і
кислоти поступово руйнують його поверхню. З підвищенням тем-
ператури води, лугів і кислот процес руйнування скла підси-
люється. Скло стійке проти впливу органічних розчинників. Скло
добре розчиняється в плавиковій кислоті, тому при травленні
напівпровідникових матеріалів у суміші плавикової і азотної кис-
лот не можна використовувати скляний посуд. За хімічною
стійкістю стекла розподіляють на п’ять гідролітичних класів.
За хімічним складом технічні силікатні стекла ділять на три
групи:
лужні стекла без важких оксидів або з незначним їх вмістом. До
них відносяться найпоширеніші у побуті стекла віконні, пляшкові;
лужні стекла з великим вмістом важких оксидів (ВаО, РЬО), які
використовують як ізолятори;
безлужні стекла (кварцеве скло), а також стекла з дуже малим
вмістом лужних оксидів.
Залежно від застосування в електроніці розрізняють електро-
вакуумні стекла, ізоляторні стекла, склоемалі, скловолокно і скло-
води.
Електровакуумні стекла застосовують для виготовлення бало-
нів газорозрядних і електронних ламп, оболонок рентгенівських
ламп, кінескопів та ін.
Ізоляторні стекла використовують для герметизації виводів де-
яких типів конденсаторів, терморезисторів, для одержання метало-
скляних спаїв корпусів мікросхем. Боросилікатні і алюмосилікатні
стекла застосовують для виготовлення ізоляційних підкладок, на
які монтують активні й пасивні елементи мікросхем.
Склоемалі — це легкоплавкі стекла, які наносять на поверхню
виробів з метою захисту від корозії, електричної ізоляції, а також
для надання естетичного зовнішнього вигляду. Подрібнений поро-
шок скла наносять на поверхню виробу і обпалюють. У результаті
плавлення емаль розтріскується по поверхні виробу і після охолод-
ження залишається на ній у вигляді тонкого (0,1...1,0 мм) суцільно-
го скловидного покриття.
Як електроізоляційний матеріал склоемалі застосовують для
трубчастих резисторів. На зовнішню поверхню керамічної трубки
наноситься дротова обмотка, яку покривають шаром емалі. Емаль
створює ізоляцію між окремими витками, між оболонкою і зовніш-
нім середовищем, а також захищає її від окиснення, вологи та ін.
Скловолокно одержують із розплаву скла, часто з безлужного
алюмоборосилікатного. Розплавлена скломаса проходить крізь
фільєри діаметром 1 мм. Нитка, що виходить із фільєри намоту-
ється на барабан з великою швидкістю (приблизно ЗО м/с) і у гаря-
чому вигляді витягується у тонке волокно, товщиною декілька
мікрон. Скловолокно відрізняється від органічних волокон більш
210
високою нагрівостійкістю, підвищеною механічною міцністю,
відносно малою гігроскопічністю, добрими електроізоляційними
властивостями.
Недоліками ізоляції із скловолокна є відносно висока крихкість,
низька стійкість проти стирання і згину і мале значення відносного
видовження при розриві (2...3%).
Із скляних ниток виготовляють світловоди, Ізоляцію монтажних,
обмоткових і мікропроводів, скляні тканини, які використовують у
виробництві нагрівостійких склолакотканин і склотекстолітів.
Прес-порошок із коротких скловолокон застосовують як наповню-
вач для пластмас.
Світловоди — це світлопровідні волокна, які складаються із
світлопровідної жили з високим показником заломлення світла.
У видимій і найближчій інфрачервоній області спектру найбільше
поширення набули світлопровідні волокна, виготовлені із оптично-
го скла. Світловоди широко використовують для передачі інфор-
мації в обчислювальній техніці, телебаченні, фототелеграфії та ін.
У менш відповідальних випадках, наприклад, для освітлення,
замість скляних світлопровідиих волокон застосовують дешевші
пластмасові волокна із полімстилметакрплата, полістиролу та
інших пластмас.
5.8,2. Ситали
Ситали («ситал» — скорочення від слів «силікат»* і «кристал» —
продукт часткової кристалізації скломаси, у яку крім звичайних окси-
дів вводять тонкодпсперсні домішки, які слугують центрами криста-
лізації. У різні марки спталів вводять оксиди кремнію — від ЗО до 90%,
титану — від 10 до 20%, бору — від 15 до 30%, алюмінію — від 12 до
28%, магнію — від 5 до 20%, калію — від 2 до 4%, літію — від 5 до 10%.
Як стимулятор кристалізації застосовують оксид титану ТіОг,
сірчане залізо Ее8, фториди і фосфати деяких металів та інших ре-
човин. Від стекол ситали незначно відрізняються іншим хімічним
складом і будовою; вони займають проміжне місце між звичайними
стеклами і керамікою. Ситали складаються із рівномірно розподіле-
них по всьому об’єму дрібних кристаликів, які зрослися або з’єднані
один з одним тонкими прошарками залишкового скла. Вміст крис-
талічної фази у ситалах досягає 95%, а розміри оптимально розви-
нутих кристалів — 0,01...2 мкм. На відміну від стекол ситали непро-
зорі, але деякі з них частково пропускають світло.
♦Силікати (від латин. зііех - кремінь) — значно поширені мінерали
(складають 85% маси твердої земної кори) ; складні і різні за складом і кри-
сталохімічпою конструкцією солі метакремпі Нової і орто крем цінової кис-
лот, у яких кремній інколи замінюється алюмінієм, бором, титаном і деяки-
ми іншими елементами.
211
Технологія виготовлення ситалів складається із одержання ви-
робів із скломаси спеціально підібраної суміші традиційними спо-
собами та їх подальшій двоступеневій термообробці. При темпера-
турі 500...700°С утворюються центри кристалізації, а при темпера-
турі 9ОО...11ОО°С — кристалічна фаза.
У процесі термообробки виникає усадка матеріалу, яка досягає
2%. Одержані таким способом ситали називають термоситпалами.
Формування кристалічної будови в ситалах може виконуватись
фотохімічним способом. Під впливом опромінення і подальшої
низькотемпературної обробки (процес проявлення) із оксидів, які
входять до складу скла, виділяються напдрібніші (колоїдні) час-
тинки металів (міді, золота, срібла, алюмінію та ін.), які є стимуля-
торами кристалізації. В процесі проявлення раніше безбарвний ма-
теріал набуває певного забарвлення (від білого до коричневого).
Такі ситали отримали назву фотоситалів.
Розроблені сегнето- і п’єзоситали, які використовують як ак-
тивні діелектрики.
Залежно від хімічного складу вихідного скла і режиму термооб-
робки одержують ситали, які мають такі властивості: високу ме-
ханічну міцність, твердість, термічну і хімічну стійкість, інтервал
робочих температур від -50 до +700°С, більш високі електроізо-
ляційні властивості порівняно зі стеклами того ж хімічного складу,
невисоку вартість виробу завдяки доступності сировини і простоти
технології виготовлення, малі діелектричні втрати.
Ці властивості ситалів дозволяють застосувати їх для різних
приладів електронної техніки, які працюють у широкому діапазоні
частот і температур.
Основні характеристики ситалів:
густина О, кг/м3 ......................................... 2300...3000;
температура розм’якшення ТрОз, °С ........................ 900...1300*;
границя міцності, МПа:
при згині Озг............................................... 120...200;
при стискуванні оСт ...................................... 500... 1200;
температурний коефіцієнт лінійного
розширення ТК/, К**......................................(0,1...12)-10“е;
питомий електричний опір р, Ом м .........................10^...10^;
діелектрична проникність є ......................................5...7;
тангенс кута діелектричних втрат
при частоті 1 МГц.....................................(10...800)-10’^**;
електрична міцність £міш МВ/м ..................................20...80.
*У скла інтервал температур розм’якшення більший.
**У скла того ж складу це значення нижче.
212
5.8.3. Кераміка
Кераміка — твердий щільний матеріал, який одержують спікан-
ням неорганічних солей з мінералами і оксидами металів.
Як вихідний матеріал використовують непластичні кристало-
подібні компоненти і пластичні компоненти.
До кристалоподібних компонентів відносять неор-
ганічні солі (хлористий амоній, хлористе залізо, хлористий магній
та ін.), мінерали (кварц, глинозем і тальк), а також карбонати.
До пластичних компонентів відносять різні глинисті матеріали.
Глина є необхідним компонентом при виготовленні більшості ви-
робів з кераміки. Загальна назва виробів усіх видів із обпаленої гли-
ни походить від грецького слова «кегатоз» — глина.
Керамічні матеріали — це багатофазова система, яка скла-
дається з кристалічної, аморфної, або склоподібної і газової фаз.
Кристалічна фаза є основною; склоподібна являє собою про-
шарки скла, які зв’язують кристалічну фазу; газова присутня у
кераміці у вигляді пор, мікротріщин, які призводять до зниження
механічних і електричних властивостей матеріалу.
Для забезпечення високих ізоляційних властивостей бажано
мати тільки кристалічну фазу. Але аморфна складова відіграє
виключно важливу роль у технологічному процесі виготовлення
керамічних виробів. Внаслідок складних реакцій вона цементує
окремі зерна вихідного порошку і забезпечує матеріалу необхідну
механічну міцність.
Електричні властивості керамічних матеріалів залежать від чис-
ла і ступеня закріплення слабкозв’язаних іонів, наприклад, калію і
натрію, які під впливом зовнішніх факторів (температури, елект-
ричного поля) можуть покидати місця закріплення і переміщува-
тись. У результаті цього електропровідність кераміки підви-
щується.
Процес виробництва керамічних виробів складається з таких
основних етапів: приготування керамічної маси, формування ви-
робів, сушіння і випал.
Приготування керамічної маси складається із сортування і очи-
щення від крупних сторонніх включень вихідних матеріалів,
розмелювання і зміщування їх за заданою рецептурою. Розмелю-
вання здійснюється в кульових млинах з додаванням води. Спочат-
ку розмелюють непластичні компоненти, а потім завантажують
пластичні матеріали. Суміш матеріалів, одержану у кульових мли-
нах, називається шлікером.
Формування деталей виконують пресуванням, штампуванням,
гарячим литтям і обробкою різанням.
Заготовки піддають сушінню на повітрі при кімнатній темпера-
турі, а також у сушильних шафах при температурі 6О...7О°С. Перед
213
випалом заготовки нагрівають до температури 7О...8О°С і занурю-
ють у ванну з парафіном на 1...6 год. Температура ванни становить
80,..100°С. Після просочення заготовки переносять на похилий
лист для стікання надлишків парафіну.
Випал виконують у печах безперервної і періодичної дії в два
етапи. На першому етапі при температурі 800...1000°С вигорають
органічні речовини, що є в керамічній масі. Другий етап виконують
при температурі 1000...1700°С для спікання керамічної маси і одер-
жання кінцевих розмірів деталі і необхідної механічної міцності.
Властивості керамічних виробів значною мірою залежать від ре-
жимів випалу і вмісту домішок. Для одержання стабільних власти-
востей кераміки режими випалу вибираються так, щоб не утворю-
валось нестійких сполук і не виникав розпад твердих розчинів.
Домішками можуть бути оксиди сторонніх металів і вологи. Волога
погіршує електричні параметри кераміки.
У деяких випадках випалені вироби можуть піддаватись додат-
і ковій механічній обробці і металізації.
[ Керамічні матеріали мають високі нагріво- і вологостійкість,
[ механічну міцність, діелектричні властивості, стабільність і надій-
ність параметрів при експлуатації, можливість одержання наперед
> заданих електрофізичних параметрів матеріалу.
[ Керамічні матеріали різноманітні за властивостями і галузями
у використання. Залежно від призначення виготовляють радіо-
\ технічні керамічні матеріали таких типів: конденсаторна кераміка
? (високо- і низькочастотна), установочна кераміка (високо- і низь-
кочастотна).
і. Кожний тип кераміки поділяють па 10 класів.
[. Конденсаторна кераміка повинна мати високу діелектрич-
к ну проникність, малий тангенс кута діелектричних втрат, електрич-
і ну і механічну міцність, високу термостабільність і малий темпера-
і тур ний коефіцієнт діелектричної проникності (контурні стабільні
5 конденсатори), від’ємне значення температурного коефіцієнту,
г діелектричної проникності (термокомпенсувальні конденсатори).
| Властивості керамічних виробів (конденсаторів) залежать від
складу вихідної сировини, технологічних режимів виготовлення, а
І також різних добавок.
Основними компонентами вихідної сировини для виготовлення
І: конденсаторної кераміки є кристалоподібні оксиди титану, олова,
і; цирконію, стронцію, кальцію, магнію, алюмінію та ін. Вихідна сиро-
І вина конденсаторної кераміки мал©пластична, оскільки глина в ній
І відсутня або міститься в невеликій кількості. Тому для виготовлен-
[ ня виробів з нього для забезпечення необхідної пластичності часто
| вводять органічну зв’язку, яка вигоряє при випалюванні.
\ Високочастотна конденсаторна кераміка відрізня-
ється високим вмістом кристалічної фази і невеликим вмістом без-
ї 214
і
лужної аморфної фази. Високочастотна кераміка поділяється па І,
II, ПІ класи.
Кераміку І класу одержують на основі титанату стронцію
ЗгТіОз або титанату кальцію СаТіОз. Кераміку І класу застосову-
ють для виготовлення високочастотних конденсаторів, до яких не
ставляться вимоги стабільності ємності.
Кераміку II класу одержують на основі твердих розчинів цир-
конату кальцію Са/гОз і титанату кальцію СаТіОз або нітратів
алюмінію і кальцію. Ця кераміка використовується для виготовлен-
ня термокомпенсувальнпх роздільних конденсаторів низької і ви-
сокої напруги.
Кераміку III класу одержують на основі кристалоподібних твер-
дих розчинів станату кальцію СаЗпОз, титанату кальцію СаТіОз,
цирконату кальцію СаСгОз, а також нітратів алюмінію і кальцію.
Кераміка відрізняється високою термостабільністю і викорис-
товується для контурних конденсаторів високої стабільності.
Низькочастотна конденсатор и а кераміка характе-
ризується високим значенням діелектричної проникності і від-
носно великим значенням тангенсу кута діелектричних втрат.
Діелектрична проникність низькочастотної кераміки залежить від
температури і напруженості електричного поля. Ця залежність не
підпорядковується лінійному закону, тому кераміку називають
нелінійною. Низькочастотну конденсаторну кераміку поділяють
на IV і V класи.
Кераміку IV класу одержують на основі кристалоподібних твер-
дих розчинів титанатів стронцію ЗгТіОз і вісмуту ВІ4ТІ3О12. Викори-
стовують дану кераміку для виготовлення низькочастотних конден-
саторів (/< 10 кГц) і однополярпих відеоімпульс них конденсаторів.
Кераміку V класу одержують на основі твердих розчинів тита-
нату і цирконату барію, титанату вісмуту, ніобптів свинцю,
стронцію і кальцію. У деяких випадках використовують високотем-
пературний сегнетоелектрик метаніобат свинцю РЬИЬзОб. Ке-
раміку цього класу використовують для виготовлення роздільних
блокувальних конденсаторів.
Установочна кераміка використовується для виготовлен-
ня виробів, які піддаються механічному навантаженню (опорні й
підвісні ізолятори), або деталей для композитних конструкцій.
Високочастотна установочна кераміка використо-
вується для виготовлення різних установочних деталей радіоелект-
ронної апаратури, які піддаються механічному навантаженню,
працюючи у полі високої частоти. Ця кераміка характеризується
низьким тангенсом кута діелектричних втрат в області високих
частот, малою залежністю тангенсу кута діелектричних втрат
від температури і частоти, високою механічною міцністю. Високо-
частотну установочну кераміку поділяють на VI, VII, VIII класи.
215
Кераміка VI класу відрізняється високою нагрівостійкістю і
складається з трьох груп.
Основою кристалоутворюючої фази форстеритової кераміки є
форстерит 2М§О-$іО2, який одержують після випалу тальку і окси-
ду магнію. Для зниження температури випалу і надання матеріалу
певних властивостей в керамічну масу вводять певні добавки: бора-
ти, вуглекислий барій та ін.
Форстеритова кераміка використовується для узгоджених мета-
локерамічних спаїв у радіолампах, виготовлення ізоляторів корпусів
напівпровідникових приладів на основі спаїв кераміки з металами,
які мають підвищений коефіцієнт лінійного розширення ТК/.
Шпинельно-форстеритова кераміка як кристалічна фаза мі-
стить кристали форстериту і шпинелі М§О-АІ2Оз.
Цельзіанова кераміка одержала назву від цельзіану
ВаО-АІ2О-25іО2. До складу сировини крім цельзіану входять гли-
нозем, аморфний кварц, вуглекислий барій, коалін, глина.
Вілемітова кераміка виробляється на основі вілеміту 22пО-5іО2.
Із цельзіаиової і вілемітової кераміки виготовляють каркаси для
котушок зі стабільною індуктивністю і конденсатори малої по-
тужності.
Кераміку VII класу виготовляють на основі природної магнезіаль-
ної (силікатної) сировини, переважно тальку ЗМ^СМЗіОг-НгО.
Різновидом цього класу керамік є стеатитова кераміка. Аморфну
фазу стеатитів складає безлужне барієве скло. Крім тальку у
вихідну сировину вводять глинисті компоненти, енстатит, серпші-
тин, а також штучно синтезований метасилікатний магній. Для зни-
ження усадки керамічної маси при сушінні і випалюванні тальк,
який входить до її складу, попередньо випалюють і подрібнюють.
Введення до вихідної сировини випаленого тальку знижує плас-
тичність готових виробів, тому для надання стеатитовій кераміці
необхідної пластичності у вихідну сировину додають велику
кількість глинистих компонентів. Залежно від потрібних властиво-
стей і методів формування виробів вміст глиняних компонентів у
стеатиту коливається від 5 до 15%.
Залежно від складу вихідних компонентів і технології виготов-
лення одержують непластпчну й пластичну стеатитову кераміку. Її
використовують для виготовлення ізолювальних кілець, прохідних
ізоляторів, опорних плит і підкладок, елементів корпусів
напівпровідникових приладів та інтегральних схем.
Кераміка VIII класу — це глиноземиста кераміка, кристалоутво-
рювальну основу якої становить корунд АІ2О3. Глиноземиста ке-
раміка має найбільшу механічну міцність, високу твердість, високу
хімічну стійкість, підвищене значення теплопровідності й високу
електроізоляцію.
Кераміку цього класу називають залежно від вмісту алюмінію.
216
Ультрафарфор — це високоякісний керамічний матеріал, який є
удосконаленим радіофарфором з великим вмістом корунду. Його
вихідна сировина складається з глинозему, глини, вуглекислих со-
лей барію і стронцію. Чим більше глинозему у вихідній речовині,
тим менш пластична формувальна маса, що дозволяє виготовляти
вироби тільки невеликих розмірів.
Ультрафарфор має підвищену порівняно зі звичайним фарфо-
ром механічну міцність і теплопровідність, менший тангенс кута
діелектричних втрат до частот 1010 Гц. Він використовується
для виготовлення відповідальних установочних деталей складної
конфігурації, високовольтних конденсаторів, вакуумних спаїв з ме-
талами, плат і радіотехнічних підкладок.
Алюмооксид {високоглшюземиста кераміка) — непластичний,
дуже твердий керамічний матеріал високої нагрівостійкості (робо-
ча температура до 1600°С). Вихідна сировина алюмооксиду містить
95...98% глинозему і 5...2% мінералізаторів (мармур, глина).
Алюмооксидну кераміку одержують із попередньо випаленого
молотого технічного глинозему або електроплавленого корунду. За-
гальний вміст склоподібної фази від 8 до 14 %.
Діелектричні властивості алюмооксидної кераміки визначають-
ся кількістю домішок і добавок, що містяться у ній, а також струк-
турою і фазовим складом. Питомий опір кераміки зі збільшенням
температури знижується.
Широке застосування виробів із алюмооксиду стримується їх
значною вартістю і складністю технології виготовлення. Він вико-
ристовується для ізоляції в електронних лампах, виготовлення ва-
куум-щільних перехідних ізоляторів корпусів напівпровідникових
приладів і радіотехнічних антенних ізоляторів, що зазнають ве-
ликих механічних навантажень.
Полікор відноситься до високоглиноземпстої кераміки, його гу-
стина близька до теоретичної густини корунду АІ2О3. На відміну
від звичайної (непрозорої) корундової кераміки полікор прозорий.
Використовується для підкладок у гібридноплівкових інтегральних
мікросхемах.
Низькочастотна установочна кераміка порівняно
з високочастотною має гірші електричні характеристики І, як пра-
вило, більш низьку механічну міцність, але відрізняється високою
пластичністю вихідної сировини і більш простою технологією виго-
товлення виробів.
Низькочастотна установочна кераміка поєднує в собі IX і X
класи.
Кераміка IX класу — це стеатити зі значним вмістом глинис-
тих матеріалів і оксиду барію ВаО.
Кераміку X класу одержують при використанні спеціальних
сортів глин і мінералів: кварцу і польового шпату.
217
Фарфор від початку розвитку електротехніки і до теперішнього
часу є одним з основних матеріалів для виробництва маловідповідаль-
них установочних деталей (розеток, патронів електричних ламп та ін.).
Електротехнічний фарфор містить 8ІО2 — 70%; АІ2О3 — 25%;
К2О, Хта?О, Ее20з та ін. — 5%.
При випалюванні внаслідок втрат складовими частинами фар-
фору води і ущільнення структури спостерігається усадка — значне
(до 20%) зменшення розмірів виробу. Усадка утруднює одержання
випалених виробів з фарфору з дуже малими допусками за розміра-
ми. Операцію випалення часто поєднують з глазуруванням, тобто
покриття поверхні виробу склоподібною масою, що надає виробу
механічної міцності і вологостійкості, а також красивого
зовнішнього вигляду і необхідного забарвлення.
Радіофарфор — це фарфор, у склоподібну фазу якого вводять
важкий оксид барію ВаО.
Радіофарфор застосовують для виготовлення каркасів котушок
Індуктивності, лампових панелей, ізоляції статорних пластин
повітряних конденсаторів, антенних ізоляторів.
Крім керамічних матеріалів, які являють собою оксиди або сис-
теми декількох оксидів, існують безокеидні керамічні матеріали —
нітриди, карбіди, силіциди, бориди та їхні композиції.
У мікроелектроніці широко застосовують нітрид бору ВМ (бо-
разон), який є електроізоляційним матеріалом високої нагрівостій-
кості. Він може функціонувати при дуже високих температурах, але
у нейтральній або відновлювальній атмосфері. Кипляча вода і слабкі
кислоти його руйнують.
5.8.4. Неорганічні електроізоляційні плівки
Неорганічні електроізоляційні плівки являють собою ХІМІЧНІ
покриття, які одержують в процесі створення на поверхні деталей
тонких оксидних плівок або плівок важкорозчинних солей за допо-
могою спеціальних розчинів.
Хімічні покриття використовують для захисту від корозії, під-
вищення стійкості проти спрацювання і декоративного опоряджен-
ня різних виробів.
Для ізоляції алюмінієвих проводів і стрічок, плівкових елект-
ролітичних конденсаторів, елементів інтегральних схем використо-
вують плівки оксидів алюмінію АІ2О3, танталу ТагОб, титану ТІО2,
ніобію N6205, кремнію 8іОг, германію СеО та ін. Такі плівки нано-
сять на метали, напівпровідники та інші матеріали.
Для оцінки здатності металу до утворення суцільного оксидно-
го шару використовують об'ємний коефіцієнт оксидування К, який
визначається як відношення об’єму одержаного оксиду до об’єму
металу, який перейшов у оксид:
218
МОм
п АВо
(56)
де М — молекулярна маса оксиду;
Лм — густіша металу;
п — число атомів металу, що входять до складу молекули оксиду;
По — густина оксиду.
Якщо К > 1, то на поверхні металу утворюється суцільний
оксидний шар. Якщо К < 1, то на поверхні такого металу не можна
одержати суцільне покриття. Наприклад, для заліза К < 1, відпо-
відно, на залізі не можна одержати суцільний оксидний шар, а для
алюмінію К > 1, тому алюміній навіть на повітрі вкритий плівкою
оксиду АІ2О3.
Найбільше поширення в радіоелектроніці одержали оксидуван-
ня, фосфатування і азотування.
Оксидування — це процес одержання на поверхні деталей тон-
ких оксидних плівок. Оксидуванню піддають деталі із чавуну, сталі,
кольорових металів і сплавів.
Оксидні покриття одержують хімічним і електрохімічним спо-
собами.
Хімічне оксидування виконують після підготовки деталей в роз-
чині їдкого калію КОН, в якому поверхня набуває перламутрово-
матового кольору, або у розчині Ка2СОз + N32004 + МаОИ, в якому
поверхня набуває кольору від золотистого до темно-зеленого.
Електрохімічне оксидування (анодування) виконують в елект-
ролітичних ваннах у розчині сірчаної кислоти. Деталь при цьому є
анодом, катодом — свинцеві пластини.
Оксидну плівку на поверхні алюмінієвих проводів і стрічок
одержують анодуванням. При використанні в процесі анодування
хромовокислих розчинів утворюються оксидні плівки світло-сірого
кольору, а сірчано-кислих — безбарвні. Для зменшення пористості
одержаної плівки застосовують додаткову обробку анодованих де-
талей гарячою водою, водяною парою, просочуванням ланоліном,
парафіном, лаками тощо.
Процес ізолювання простий, дешевий та дозволяє одержати
оксидну ізоляцію, яка має малу товщину (від 3 до 12 мкм), високу
нагрівостійкість (робоча температура досягає 600°С); високі теп-
лостійкість і хімічну стійкість.
Недоліками такої оксидної ізоляції є погана гнучкість і вираже-
на гігроскопічність.
Оксидну ізоляцію, одержану анодуванням, застосовують в оксид-
них електролітичних, оксидно-напівпровідникових і метало-оксид-
них конденсаторах. Завдяки малій товщині діелектрика (до 1 мкм),
малим розмірам і масі оксидні конденсатори мають високу ємність і
значну (приблизно 10...40) діелектричну проникність є.
219
Оксидні плівки на чорних металах одержують хімічним і елект-
рохімічним способами. При хімічному способі деталь нагрівають в
атмосфері водяної пари або розплавленої селітри. Таким способом
одержують ізоляційні плівки на трансформаторних пластинах.
Якість плівок при хімічному і електрохімічному оксидуванні
сталі рівноцінна. Розміри сталевих деталей при оксидуванні прак-
тично не змінюються. Колір оксидної плівки на маловуглецевпх
сталях чорний, на впсоковуглецевнх — чорний з сірим відтінком.
Товщина плівок становить 0,6...0,8 мкм, але може досягати 1,5...З мкм.
Оксидні плівки на поверхні сталі еластичні, пористі, мають
низьку міцність, тому їх не використовують для деталей, які працю-
ють в умовах тертя.
Захисні властивості пористих оксидних плівок на сталевих ви-
робах підвищують обробкою мастильними маслами або вкривають
лаками.
При оксидуванні деталей з міді та її сплавів для захисту від во-
логи більш якісними є оксидні плівки, одержані електрохімічним
оксидуванням. Товщина плівки становить 3...12 мкм. Вона має
більш високу твердість, ніж основний метал, стійкість проти спра-
цювання І вологостійкість.
Оксидну ізоляцію застосовують також в оксидних електролі-
тичних, оксидно-напівпровідникових і мєтало-оксидиих конденса-
торах. У якості діелектрика в цих конденсаторах використовують
оксиди алюмінію, титану, ніобію.
Завдяки малій товщині діелектрика (до 1 мкм), малим розмірам
і масі оксидні конденсатори мають високу ємність і значну (при-
близно 10...40) діелектричну проникність є.
Тонкоплівковпй конденсатор конструктивно являє собою бага-
тошарову структуру, яка складається у найпростішому випадку з
двох металевих обкладок, розділених шаром діелектрика. Параметри
плівкових конденсаторів визначаються, в основному, властивостями
діелектричного шару, який може бути у вигляді аподноокиснюва-
них плівок або може наноситись на підкладку методом вакуумної
технології.
Плівки оксиду титану одержують анодним окисненням. Вони
мають діелектричну проникність е = 16...25, малу дефектність, мож-
ливість суворого контролю товщини плівки в процесі її одержання
і виражену вологостійкість.
Монооксид кремнію одержують термічним випаровуваннях? і
використовують як захисний шар при створенні плівкових кон-
денсаторів і резисторів. Плівки мають діелектричну проникність
є = 3,5...6,8, питому ємність Со = 104 пФ/см2, малу дефектність і
виражену вологостійкість.
Монооксид германію, як і монооксид кремнію, одержують тер-
мічним випаровуванням, але при більш низьких температурах.
220
Перевагами монооксиду германію є наявність великої кількості
протравлювачів, що дозволяє селективно видаляти монооксид
германію без впливу на інші раніше виготовлені плівкові елемен-
ти мікросхеми. Плівки мають діелектричну проникність є == 10,
питому ємність Со = 150...200 пФ/см2 і вологостійкість, гіршу, ніж
у монооксиду кремнію (вимагає додаткових запобіжних заходів
захисту).
У напівпровідниковій технології для захисту кристалів зр-н-пе-
реходами від впливу навколишнього середовища (передусім вологи
п кисню) застосовують плівки на основі оксидів алюмінію, титану,
цирконію, берилію та ін., одержаних осадженням у кварцевій трубі.
Як вихідний матеріал використовують порошок, а як несучий
агент — галоген або галоїдне з’єднання водню. Ці ж плівки можна
одержати вакуумним катодним розпиленням.
Плівки для захисту напівпровідникових кристалів зр-я-перехо-
дами повинні мати малу хімічну активність, високі електроізо-
ляційні властивості, добру адгезію, низькі механічні напруження
при різких змінах температури, стабільність захисних властивостей
в діапазоні температур від -60 до +400°С.
Фосфатування — це процес нанесення на поверхню деталей
покриттів у вигляді важкорозчинних солей. Одержані плівки слу-
гують захисним покриттям від дії корозії, електроізоляційним
шаром І під шаром для подальшого лакофарб ного покриття.
Фосфатування застосовують для захисту від корозії чорних
металів, магнію, цинку (трансформаторні, роторні й статорні плас-
тини); для зменшення тертя при одержанні виробів витяжкою
(плівку утворюють після вирубки, зняття задирок і випалу плас-
тин), а також для ізоляції поверхні при лудженні, цинкуванні.
Хімічне фосфатування проводиться при зануренні деталей у ванну,
що містить фосфорно-кислі солі заліза і марганцю.
Фосфатування не змінює розмірів деталі, оскільки в процесі
збільшення товщини оксидної плівки зменшується товщина металу
за рахунок його розчинення. Колір покриття світло- або темно-
сірий. Для підвищення корозійної стійкості фосфатного покриття
використовують додаткову обробку жировими плівками, лаками і
фарбами. Товщина плівки при дрібнокристалевій будові становить
2...4 мкм, а крупнокристалеві — 10...15 мкм.
Фосфатні плівки мають виражену адгезпвиу здатність, жаро-
стійкість (приблизно 500°С), високий електричний опір (витриму-
ють напругу до 1200 В); добре утримують масла, лаки і фарби.
Азотування — це процес насичення поверхневого шару сталь-
них виробів азотом при температурі 500...600°С.
Азотування проводять для надання виробам великої твердості,
стійкості проти спрацювання, підвищення границі втоми і корозій-
ної стійкості.
221
5.8.5. Слюда і матеріали на її основі
Слюда — це природний кристалічний електроізоляційний ма-
теріал, який легко розчеплюється на тонкі пластини по паралельних
одна до одної площинах, які називають площинами спайності.
Слюда має високі електроізоляційні властивості, нагрівостій-
кість, механічну міцність, гнучкість, прозорість (у тонких шарах
слюди багатьох видів), різко виражену анізотропію (властивість
слюди упоперек і вздовж площини спайки суттєво відрізняються).
Слюда зустрічається в природі у вигляді кристалів, включених
у гірські породи, і становить 3,8% маси земної кори. Проте багаті
промислові родовища, де добувають слюду високої чистоти у ви-
гляді крупних кристалів, нечисленні. Первісна обробка слюди скла-
дається з її очищення від сторонніх домішок. Очищену слюду спо-
чатку розколюють на пластини товщиною 1...5 мкм і поділяють за
розмірами, групами і сортами. Розмір визначається величиною ’
прямокутника, який можна вписати в слюдяну пластинку.
Промисловість випускає пластинки слюди з площиною прямо-
кутника від 0,5 до 50 см2. Група слюди встановлюється залежно від
товщини пластинок, а сорт залежить від стану поверхні пластинки
і площі різних включень. Наприклад, слюда першого сорту має
рівну поверхню і включень не більше 10%, а третього сорту — тро-
хи хвилясту поверхню і домішок до 50%. Така слюда називається
щипаною.
За хімічним складом слюда є водним алюмосилікатом лужно-
земельних металів. До складу кристалічних ґраток входить крис-
талізаційна вода. Виділяючись при нагріванні, кристалізаційна
вода викликає здування слюди і збільшення її товщини через роз-
шарування за площинами спайності. При цьому слюда втрачає про-
зорість, різко знижуються її електричні та механічні властивості.
Відомо понад ЗО різновидів слюди, але для електричної ізоляції
використовують тільки мусковіт і флогопіт.
Мусковіт — це алюмосилікат калію, який можна наближено ви-
разити формулою К2О5'ЗАІ2Оз'68іО2-2Н2О. Він прозорий, домішки
забарвлюють його у світлі тони (зелений, рожевий).
Мусковіт має добрі електроізоляційні властивості (кращі ніж у
флогопіту), високу механічну міцність, твердість, гнучкість, пруж-
ність, стабільність властивостей з часом, температуру початку зне-
воднювання і різкого погіршення властивостей 500...600°С.
Із кращих сортів мусковіту виготовляють конденсаторну і
телевізійну слюду.
Конденсаторну слюду у вигляді пластинок прямокутної форми
довжиною 7...60 мм, шириною 4...50 мм і товщиною 20...55 мкм
використовують для виготовлення слюдяних конденсаторів
постійної ємності.
222
Телевізійну слюду використовують у вигляді діелектричної
основи для фотокатодів і мішеней в передавальних телевізійних
трубках.
Флогопіт — це магнезіальний силікат калію, який можна на-
ближено виразити формулою К20-6М§068і02'2Н20. Він має
темний колір і більш високу нагрівостійкість (робоча температура
до 1000°С), але за ізоляційними властивостями поступається
мусковіту.
Слюду використовують у вигляді штампованих фасонних
виробів для кріплення і електричної ізоляції внутрішньої арматури
в електронних лампах як тепловий захист цоколів потужних елект-
ричних ламп розжарювання, як наповнювачі в нагрівостійких
органічних пластмасах.
Крім мінеральної (природної) застосовується синтетична слюда
фторфлогопіт КМ§з>8ізА10ю-р2, у якому атоми води заміщені фто-
ром. Цю слюду одержують в результаті вирощування кристалів із
розплавленої шихти, яка містить кварцовий пісок, оксиди алюмінію
і магнію, фтористі сполуки калію і магнію. Фторфлогопіт має вищі
електричні параметри, ніж природна слюда, більш нагрівостійкий,
хімічно стійкіший звичайного флогопіту, не здувається при нагрі-
ванні і витримує зміну температури від -70 до +1000°С.
Через порівняно високу вартість синтетична слюда має обмежене
застосування. Її використовують для виготовлення вікон хвильово-
дів, лічильників частинок високої енергії, конденсаторів з високою
робочою температурою.
Слюдяні електроізоляційні матеріали виготовляють на основі
пластинок щипаної природної або синтетичної слюди. До них від-
носяться міканіти, слюдиніти, слюдокераміка, прессмика, мікалекс.
Міканіти — це шаруваті матеріали, у яких окремі пластинки
слюди склеюють між собою лаком або органічною в’яжучою речо-
виною. Інколи ці матеріали пресуються.
Колекторний міканіт — це пресована слюда флогопіт з додаван-
ням невеликої кількості в’яжучої речовини, для чого використову-
ють лак на основі синтетичної смоли. Використовується в елект-
ричних машинах для ізоляції колекторних пластин.
Прокладний міканіт містить велику кількість в’яжучої речовини
порівняно з колекторним (15...25%), має меншу густину і більш
широкі допуски щодо товщини. Використовується як матеріал для
твердих прокладок у електричних машинах.
Формовочний міканіт виготовляється у вигляді листів товщи-
ною 0,1...0,5 мкм. Він повинен добре формуватись при температур-
них і механічних навантаженнях в процесі виготовлення і зберігати
набрану форму після відповідної термообробки. Застосовуються
для виготовлення різних фланців, каркасів котушок, ізолювальних
колекторних пластин.
223
Гнучкий міканіт повинен формуватись і згинатись на відміну від
формувального при нормальній температурі. Випускається в руло-
нах і листах товщиною 0,15...0,60 мм. Застосовується для ізоляції
нагрівних приладів.
Мікафолій відрізняється від гнучкого міканіту тим, що він набу-
ває гнучкості тільки у нагрітому стані. Його одержують наклеюван-
ням одного і більше шарів слюди на папір або склотканину. Застосо-
вують для виготовлення різних ізоляційних шпильок і стержнів.
Слюдиніти порівняно з міканітами більш монолітні й однорідні
за товщиною, мають більш високу робочу температуру і електричну
міцність. Для виготовлення слюдинітів використовують слю-
динітовий папір. Його одержують ІЗ ВІДХОДІВ слюди мусковіту, які
нагрівають до температури 800°С і обробляють содою, сірчаною і
соляною кислотами. В результаті пластинки розшаровуються на
більш тонкі і утворюється пульпа, яка фільтрується і перетворю-
ється в слюдинітовий папір на спеціальних машинах для виготов-
лення паперу. Галузі застосування ті ж самі, що в міканітів.
Слюдокераміку одержують у процесі випалення спресованої
дрібнокристалевої слюди (мусковіту і флогопіту) із в’яжучим ком-
понентом. Синтетичну слюду подрібнюють до одержання зерен роз-
міром 0,15 мм, добре змішують із в’яжучим компонентом і пресують
в сталевих формах. Як в’яжучий компонент використовують 85%-й
розчин ортофосфорної кислоти в кількості від 5 до 15% маси. Готові
вироби сушать і випалюють. Застосовують як термостійку ізоляцію
установочних і вакуум-щільних деталей, елементів корпусів напів-
провідникових приладів та інтегральних схем, ізоляторів радіоламп.
Пресмика — щільний матеріал, який одержують гарячим пресу-
ванням подрібненої синтетичної смоли без в’яжучого компоненту.
Застосовується для виготовлення прохідних і антенних ізоляторів,
конденсаторів, які працюють при температурах до 400°С.
Мікалекс — високоякісний ізоляційний матеріал, негігроскопіч-
ний, вогнестійкий, може бути підданий складній технологічній об-
робці і запресуванню металевих стержнів. Його одержують у резуль-
таті термічної обробки і подальшого випалу суміші порошкоподібної
слюди з боратом свинцю або з легкоплавким борнобарійовпм склом.
Застосовують для виготовлення плат перемикачів, панелей малогаба-
ритних повітряних конденсаторів, гребінок котушок індуктивності.
5.9, РІДКІ ДІЕЛЕКТРИКИ
Рідкі діелектрики — це низькомолекулярні речовини органічно-
го походження, які бувають полярними та неполярними. їх елект-
рофізичні властивості значною мірою залежать від будови молекул
і наявності домішок. Домішки утворюються при окисненні і розкла-
данні вуглеводневих фракцій, при поглинанні води і потраплянні
частинок волокнистих матеріалів.
224
Рідкі діелектрики характеризуються діелектричною про-
никністю є, електропровідністю, діелектричними втратами (тангенс
кута діелектричних втрат 1§д), електричною міцністю Емпь
У полярних рідин (совол, гексол, етиленгліколь) діелектрична
проникність £ визначається одночасно електронною і дипольною
поляризаціями. Наприклад, у гексод}7 £ = 3, у етиленгликоля £ “ 40.
У неполярних рідин діелектрична проникність визначається, в
основному, тільки електронною поляризацією, не залежить від час-
тоти і зменшується із зростанням температури, наближуючись до
одиниці. Це явище пояснюється зменшенням числа молекул в оди-
ниці об’єму. У неполярних рідин є менше, ніж у полярних. Напри-
клад, у чотпрпхлористого вуглецю є = 2,163, у толуолу є == 2,294.
Електропровідність рідких діелектриків зумовлена переміщен-
ням іонів, які виникають у результаті дисоціації самої рідини і
домішки, а також переміщенням заряджених частинок домішок —
моліонів. З підвищенням температури зростає рухомість іонів і
ступінь теплової дисоціації, що збільшує електропровідність.
При невеликих напруженностях електричного поля вступає в
силу закон Ома, тобто електричний струм І, який протікає в рідині,
змінюється пропорційно напруженості поля. В електричних полях
з великого напруженістю Е (приблизно 10... 100 МВ/м) електричний
струм не підпорядковується закону Ома через збільшення кількості
іонів під впливом поля.
Крім іонної електропровідності у рідких діелектриків спос-
терігається моліонна електропровідність, коли носіями зарядів є
мізерні домішки. Такими домішками можуть бути вода, різні тверді
високодисперсні частинки, які знаходяться у завислому стані (во-
локна, пилинки та ін.). Ці частинки адсорбують своєю поверхнею
іони і під впливом електричного поля переміщуються до відповідних
електродів. У технічних рідких діелектриків, які містять певну част-
ку домішок, при кімнатній температурі переважає моліонна провід-
ність. Остання спостерігається, наприклад, у трансформаторного
масла, що містить мізерні частинки глини і емульговану воду.
Очищення рідких діелектриків від домішок підвищує їх пито-
мий опір, проте, повністю видалити домішки неможливо.
Перевага конкретного виду провідності залежить від енергії ди-
соціації, тобто енергії, необхідної для руйнування молекул і утворен-
ня іонів. Чим вище енергія дисоціації, тим менша іонна провідність.
У полярних рідин діелектричні втрати складаються із втрат на
електропровідність І втрат, пов'язаних з дипольно-релаксаційною по-
ляризацією. Вони залежать від температури, частоти і в’язкості ріди-
ни, оскільки поворот диполів у в’язкому середовищі викликає втрати
енергії на тертя молекул. На високих частотах рідкі діелектрики ма-
ють підвищені діелектричні втрати. Наприклад, совол при темпера-
турі Т = 90°С і частоті/= 50 Гц має = 0,015, тому рідкі полярні ді-
електрики не рекомендується використовувати на високих частотах.
8 «Еіектроматері.гпознавство»
225
Діелектричні втрати неполярних рідин, які не містять домішок, —
це втрати, по-суті, електропровідності. Вони не залежать від часто-
ти і збільшуються із зростанням температури, що пояснюється
збільшенням наскрізного струму. Діелектричні втрати цих рідин
малі, оскільки їх електропровідність невелика. Наприклад, чисте
трансформаторне масло при температурі Т*= 90°С і частоті /= 50 Гц
має - 0,003.
Електрична міцність рідких діелектриків, в основному, визнача-
ється наявністю сторонніх домішок, полярністю рідини, температу-
рою та іншими факторами. Присутні у рідині бульбашки газу іонізу-
ються, виділяючи енергію, що призводить до місцевого перегрівання
рідини. Це призводить до утворення газового канал}' між електрода-
ми і, як результат, до пробивання рідини. Крім газових включень
важливим фактором, який знижує електричну міцність рідких діелек-
триків, є вода. Крапельки води поляризуються під впливом елект-
ричного поля і утворюють між електродами ланцюжки з підвищеною
провідністю, по яких і відбувається електричний пробій. Електрична
міцність рідин, які містять домішки, нижче, ніж у очищених.
Як рідкі електроізоляційні матеріали в електротехнічних прист-
роях використовують нафтові (мінеральні) масла (трансформаторне,
кабельне, конденсаторне), синтетичні рідкі діелектрики ( хлоровані
вуглеводні, кремній- І фторорганічні рідини, складні ефіри різних
типів) і рослинні масла.
Нафтові електроізоляційні масла. Нафтові масла одержують у
процесі ступінчатої перегонки нафти і видалення із нафтового
дистиляту* нестійких сполук (нафтенових кислот, сірки, смоли,
кисню, азоту та ін.).
Технологічна операція очищення нафтового дистиляту від сто-
ронніх домішок називається рафінуванням. Від якості її проведення
певного мірою залежать експлуатаційні властивості масла.
Ці масла мають ряд властивостей, що забезпечили їм широке
використання. Вони порівняно дешеві, тому їх можна випускати у
великих кількостях; при доброму очищенні мають малий тангенс
кута діелектричних втрат і високу електричну міцність.
До недоліків нафтових масел відносять обмежений інтервал
робочих температур, пожежо- і вибухонебезпечність, схильність
до старіння.
При роботі у малозаповненому електричному апараті внаслідок
окиснення відповідних фракцій вуглеводнів масло постійно старіє,
і стає більш темним. У ньому утворюються частково розчинні і не-
розчинні забруднюючі продукти. Нерозчинні важкі домішки осіда-
ють на занурені в масло деталі у вигляді «мулу», в’язкість масла
* Продукт дистиляції; наприклад, при перегонці нафти дистиляти — це
бензин, гас, мастильні масла та ін.
226
збільшується, що погіршує тепловідведення від нагрівальних дета-
лей. Процес старіння прискорюється при контакті з повітрям (особ-
ливо, якщо повітря містить озон); під впливом світла і електричного
поля; при контакті з деякими металами (мідь, залізо, свинець тощо)
та інтими речовинами з кристалічною будовою; підвищенні темпе-
ратури; контактуванні з гумами.
При старінні в електричному полі деякі сорти масел виділяють
гази, що небезпечно, оскільки бульбашки газів можуть стати осе-
редками часткових розрядів. Якщо при цьому температура газо-
подібних продуктів (суміші парів масла і повітря) перевищує їхню
температуру спалаху, то може виникнути вибух.
Здатність масла не виділяти гази при старінні в електричному
полі (або навіть поглинати гази, що виділилися раніше) називають
газостійкістю масел.
Для боротьби зі старінням масел застосовують такі засоби:
вводять антиокиснювальні присадки (інгібітори*), які легко
з’єднуються з киснем, захищаючи вуглеводневі фракції від окис-
нения, сповільнюють старіння масел і збільшують термін його
використання; інгібіторами є іонол, пірамідон та ін.;
обмежують робочу температуру (95°С для трансформаторів з
повітряним охолодженням і 85°С — з водяним);
викопують безперервну фільтрацію масла крізь адсорбенти;
піддають застаріле масло регенерації**, тобто відновленню його
властивостей шляхом очищення і сушіння.
Трансфер м а т о р н е масло — рідина від практично безбарв-
ного до темно-жовтого кольору. За хімічним складом являє собою
суміш нафтенових і парафінових вуглеводів і тому є неполярним
діелектриком з малою діелектричною проникністю (є = 2,2...2,3).
Після рафінування масло додатково очищується. Для цього воно об-
роблюється лугом, промивається водою і сушиться. Остаточне очи-
щення виконується за допомогою адсорбентів*** (силікагеля, інфу-
зорних земель) і фільтр-пресів.
Трансформаторне масло має такі властивості:
малу в’язкість, що дуже важливо, оскільки дуже в’язке масло
гірше відводить теплоту від втрат на обмотках І осерді трансформа-
тора і гірше просочується пористою ізоляцією;
* Речовини, які сповільнюють хімічні реакції або припиняють їх;
застосовуються для сповільнення або запобігання деяким процесам,
наприклад, корозії металів, окиспеншо палива (від латин. іпкіЬеге — стри-
мувати, зупинятися).
**Перетворення відпрацьованих продуктів у вихідні для повторного
їх використання (від латин. ге&епегаіїо — відновлення, відродження,
поновлення).
***Тіла, на поверхні яких виникає поглинання речовини із розчину
або газу.
8* 227
температура застигання -70°С (що особливо важливо для апа-
ратури, яка працює при низькій температурі навколишнього сере-
довища) ;
електрична міцність £міц = 10...25 МВ/м (дуже чутливе до
зволоження, але при сушінні відновлюється);
теплоємність і теплопровідність масла збільшується Із зростан-
ням температури (при вільній конвекції* масло відводить теплоту
від занурених у нього обмоток і осердя трансформатора в 25...30
разів інтенсивніше, ніж повітря).
Основними недоліками трансформаторного масла є старіння,
займистість і горючість, гігроскопічність (категорично заборо-
няється зберігати його у відкритій тарі).
Серед рідких електроізоляційних матеріалів трансформаторне
масло набуло найбільшого поширення в електротехніці для залив-
ки силових трансформаторів. Залите у трансформатор масло запов-
нює пори у волокнистій ізоляції, а також проміжки між проводами
обмоток і баком трансформатора, що значно підвищує електричну
міцність ізоляції. Одночасно воно відводить теплоту, яка виділя-
ється за рахунок втрат в обмотках і осерді трансформатора. Таким
чином, трансформаторне масло в трансформаторах відіграє роль
ізолювального і охолоджувального середовища. Застосування
трансформаторного масла у вимикачах високої напруги має дещо
інші функції. В цих апаратах розрив електричної дуги між контак-
тами вимикача відбувається в маслі (або під підвищеним тиском
газів, які виділяє масло під дією високої температури дуги). Це
сприяє, охолодженню каналу дуги і швидкому її гасінню, тобто
масло тут виконує дугогасильні функції.
Трансформаторне масло використовується також для заливан-
ня маслонаповнених вводів, деяких типів реакторів, реостатів та
Інших електричних апаратів.
Кабельне масло відрізняється від трансформаторного під-
вищеною в’язкістю, а від конденсаторного — зниженими електрич-
ними властивостями. Воно використовується як складова частина в
масляно-каніфольних компаундах для просочення ізоляції силових
кабелів.
Конденсаторне масло одержують із трансформаторного
після додаткової його обробки у вакуумі для видалення розчиненого
повітря, що знижує діелектричні втрати. Його використовують для
просочення ізоляції в паперових і плівкових конденсаторах, що доз-
воляє зменшити габаритні розміри, масу і вартість конденсаторів.
*Перенесення теплоти, маси, зарядів рухомим середовищем, напри-
клад, потоками повітря, які виникають природним шляхом у неоднорідно-
му середовищі (природна конвекція) або які створюються штучно (виму-
шена конвекція) (від латин, сопуєсііо — привезення, принесення).
228
Синтетичні рідкі діелектрики. Використання синтетичних
рідких діелектриків доцільно у тих випадках, коли вони за власти-
востями перевершують електроізоляційні масла. Наприклад, при
застосуванні неполярних рідких діелектриків або рідких діелект-
риків з більш високою пожежо- і вибухонебезпечністю, ніж у елек-
троізоляційних масел.
Хлоровані вуглеводні одержують заміною деяких або
навіть усіх атомів водню атомами хлору у різних вуглеводнів. Най-
частіше використовують полярні продукти хлорування дифенілу.
Хлоровані дифеніли, а також гази, які утворюються при взаємодії
на ці рідини електричної дуги, токсичні. Тому у багатьох країнах ви-
користання хлорованих дифенілів для просочення конденсаторів
заборонено законом. Найбільш відомими представниками цієї гру-
пи є совол і совтол-10. Атоми у молекулах цих матеріалів розміщені
несиметрично, тому совол і совтол-10 є полярними.
Совол і совтол-10 мало піддаються старінню, не утворюють з по-
вітрям вибухонебезпечних сумішей, негігроскопічні, токсичні, дорогі.
Совол (пентахлордифеніл) являє собою безбарвну в’язку ріди-
ну, яка одержана хлоруванням дифенілу (С12Н10), в результаті чого
у останнього п’ять атомів водню заміщуються хлором. Совол є
негорючою речовиною, не окпснюється, що надає йому важливої
переваги над нафтовими маслами. Проте його використання обме-
жується такими недоліками: густина 7) = 1500...1560, температура
спалаху ГСп = 2О5...23О°С, температура застигання Т3 = +5°С, елект-
рична міцність при температурі Г- 20°С £мщ = 14...18 МВ/м, значна
в’язкість в області робочих температур, що не дозволяє використо-
вувати його у чистому вигляді; він приблизно у 10 разів дорожчий
за трансформаторне масло.
Використовується замість трансформаторного масла для низько-
вольтних конденсаторів.
К р е м н і й о р г а н і ч н і рідини — це продукт синтезу
крем’янистих і вуглецевих сполук, властивості яких визначаються
типом органічних радикалів. Відповідно до цього розрізняють полі-
диметплсилоксанові, полідиетилсилоксанові і поліметилфенілси-
локеанові рідини.
Ці рідини характеризуються високою нагрівостійкістю, низькою
температурою застигання 7’3, малим температурним коефіцієнтом
в’язкості, хімічною інертністю, малими діелектричними втратами
(тангенс кута діелектричних втрат і низькою гігроскопічністю.
Полідиметилсилоксаиові рідини одержують гідролізом диме-
тилхлоре планів з три метил хлоре планами. Вони не розчиняються в
спиртах і ацетоні, мають високу інертність і не впливають на власти-
вості металів і гум при контакті з ними. Використовують для просо-
чування паперових конденсаторів і гідрофобізації ізоляційних
стрічок.
229
'.'ИЙ '
Полідиетилсилоксанові рідини — це безбарвні суміші поліетилси-
локсанів. Використовуються для просочення і заливання конденсат
торів, які працюють в інтервалі робочих температур від -60 до +100°С.
Поліметилфенілсилоксанові рідини відрізняються більш висо-
кою нагрівостійкістго і стійкістю проти радіаційного випроміню-
вання.
Основні властивості деяких електроізоляційних рідин наведені
в табл. 5.7.
Таблиця 5.7
Основні властивості електроізоляційних рідин
Параметр Совол Совтол-10 Мінеральне масло
трансфор- маторне .конден- саторне
Густіша В, г/см3 1,50-1,56 1,54 0,84...0,89 0,8-0,92
П птом и И електричні І н опір р, Ом-м 10Ч..10'5 1013... 10й 10Н...1015 10Ц..1016
Діелектрична проникність є при температурі 20°С 5,0,..5,2 4,8 2,1-2,4 2,1-2,3
Тангенс кута діелектрич- них втрат при темпера- турі 20°С і частоті 50 Гц 0,002-0,0004 0,006 0,0006-0,001 0,0003-0,0006
Електрична міцність Еміц при температурі 20°С і ча- стоті 50 Гц, кВ/мм 14... 18 22 15-20 20-25
Температура, °С: застигання, не більше спалаху, не менше 200-230 -6 200 -45 135 -45 135
Кислотне число, мг КОН/г масла 0,01...0,02 0,01 0,03-0,005 0,015-1,02
Ж'
іЙЯИ
ж
-дай •
І
'Ж'
В
-Ж :
Ж
'Ж-
'Й&
Ш'
ц
Ж
’ф
ж
>
Фторорганічні рідини являють собою похідні вуглевод-
нів, у яких атоми водню заміщені фтором. їхні пари не утворюють з
повітрям вибухонебезпечних сумішей. Вони мають малі діелект- Ц
ричні втрати (тангенс кута діелектричних втрат дуже малу В
гігроскопічність, високу нагрівостійкість (деякі рідини можуть три
валий час працювати при температурі 200°С і вище), високу тепло
провідність, повну негорючість, високу лугостійкість.
Фторорганічні рідини застосовують для просочення і зали
вання конденсаторів і трансформаторів, для випробовування еле- Ц
ментів радіоелектроніки при низьких і високих температурах. Ц
Крім вказаних рідких діелектриків у радіоелектроніці засто- <
совують полярні синтетичні електроізоляційні рідини. Наприклад, З
етиленгліколь (НО — СН2 — СН? — ОН), що використовують як І|
контрольну рідину при визначенні герметичності мікросхем.
230
н
<
5.10. ГАЗОПОДІБНІ ДІЕЛЕКТРИКИ
Газоподібні діелектрики повинні бути хімічно нейтральними;
при іонізації не утворювати особливо активних речовин, здатні руй-
нувати тверді матеріали або викликати корозію металів.
Основними характеристиками газоподібних діелектриків є
електропровідність, пробій в однорідному та неоднорідному елект-
ричному полі.
Електропровідність газів. Електропровідність газів пов’язана з
наявністю в них деякого числа іонів і електронів, які утворюються
під впливом зовнішніх дій або в результаті співударяння зарядже-
них частинок з молекулами газу. Відповідно з цього у газах виникає
несамостійна і самостійна провідність. В нормальних умовах число
заряджених частинок (іонів газу або твердих і рідких домішок, які
знаходяться у завислому стані) в 1 м2 атмосферного повітря не пе-
ревищує декількох десятків мільйонів.
Утворення носіїв зарядів пов’язано з різними природними фак-
торами: радіоактивне випромінювання Землі, випромінювання
Сонця, радіація, яка проникає з космічного простору, тепловий
вплив, рентгенівські і гама-промені, потік нейтронів та Ін.
Провідність газу підвищується, якщо прикласти підвищену на-
пругу до електродів, між якими він знаходиться.
При поглинанні енергії молекула газу втрачає електрон і пере-
творюється у позитивний іон. Електрон, який при цьому вивільню-
ється, «прилипає» до нейтральної молекули і утворює негативний
іон. Молекули газу, які не мають електричного заряду, і заряджені
іони здійснюють безладні теплові рухи. При зустрічі позитивних і
негативних іонів виникає їх рекомбінація. Коли число іонів не
змінюється з часом, між процесами генерації і рекомбінації заряд-
жених частинок встановлюється динамічна рівновага.
Зміну електричного струму у газі, який знаходиться між елект-
родами, відображає вольт-амперна характеристика (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Вольт-амперна
характеристика газоподібного
діелектрика
На ділянці /, який відпо-
відає слабкому електричному
полю, носії зарядів утворюють-
ся під впливом прикладеної до
електродів напруги (несамо-
стійна провідність). Протікаю-
чий при цьому електричний
струм І пропорційний прикла-
деній напрузі 17, тобто вико-
нується закон Ома:
І-17/К
де і? — електричний опір газу в
проміжку між електродами.
231
ц
д
На цій ділянці поряд з генерацією заряджених частинок вини-
кає їх рекомбінація.
На ділянці II з подальшим підвищенням напруги швидкість
руху заряджених частинок збільшується і переважна їх більшість
досягає електрода, не встигнувши рекомбінувати. При критичній
напрузі С/кр енергії заряджених частинок досить для створення
ударної іонізації. При цьому пропорційність між струмами і напру-
гами порушується, оскільки всі іони і електрони в газовому
проміжку розряджаються на електродах, тому струм залишається
постійним. Максимальний струм, який не залежить від прикладеної
напруги, називається струмом насичення ІІЬ При виникненні ударної
іонізації число електронів і іонів різко зростає, з’являється само-
стійна провідність, струм знову починає збільшуватись зі збільшен-
ням напруги на ділянці ІП.
У результаті розвитку процесу ударної іонізації виникає елект-
ронна лавина, яка, рухаючись до позитивного електрода, зустрічає
лавинний потік позитивних іонів, направлений до негативного еле-
ктрода. В результаті утворення провідної газоподібної плазми* у
газовому проміжку виникає пробій газу.
Пробій газів в однорідному електричному полі. Однорідне по-
ле утворюється між електродами однакової геометричної форми з
великою площею поверхні (наприклад, площина-площина, куля-
куля), коли їх діаметр І) в 10 разів більший відстані між ними к. .
Електрична міцність газів порівняно з твердими і рідкими
діелектриками невелика. Порушення їхних ізоляційних властивос-
тей пов’язано з явищем ударної іонізації.
Число електронів, що утворились протягом 1 с в 1 см2 повітря
під дією радіоактивності Землі або космічних променів, становить
від 10 до 20. Ці електрони є початковими зарядами, які можуть
призвести до пробою газу в сильному електричному полі.
При збільшенні напруженості електричного поля електрони
співудариються між собою і здобувають енергію, достатню ‘для
іонізації молекул газу:
= (57)
де д — заряд частинок;
V - середня довжина вільного пробігу електрона або іона;
Е — напруженість електричного поля.
Для виникнення ударної іонізації необхідно, щоб енергія за-
рядів, що рухаються, була вища енергії іонізації ЇЦ:
Енергія іонізації ЙИ для різних газів знаходиться в межах 4...25 еВ.
* Область електричного розряду в газі, в якій щільності позитивних
іонів і електронів однакові (від грец. ріагта — виліплене утворення).
232
Необхідна для іонізації критична напруженість електричного
поля:
-Еі-ф —
(58)
Початкові заряди зіштовхуються з атомами і молекулами і по-
роджують нові електрони. Вибиті при цьому «вторинні» електрони
під дією поля викликають іонізацію молекул газу. В результаті цьо-
го процесу число електронів у газовому проміжку, зростаючи лави-
ноподібно, дуже швидко збільшується.
Ударна іонізація електронами складає основу пробою газу. Проте
електронна лавина ще недоступна для утворення пробою, оскільки
не утворює провідного шляху між електродами. Крім явища ударної
іонізації, що створює першу лавину заряджених частинок, при пробої
газу велику роль відіграють фотони. Паралельно з явищем ударної
іонізації газу виникає перехід електронів на більш високі енергетичні
рівні. Ці електрони не втрачають зв’язки з ядром І, не затримуючись
на збуджених рівнях, повертаються на нормальні, випромінюючи
енергію у вигляді світлових частинок — фотонів. Таких молекул
значно більше, ніж іонізованих. Вони створюють нові осередки
іонізації і утворюють електронні лавини, що значно прискорюють
процес пробою газу. Пробій газу виникає миттєво при відстані між
електродами к = 1 см, час пробою становить приблизно 10’8 с.
Електрична міцність газів Еміц залежить від однорідності елект-
ричного поля, тиску газу Р, відстані між електродами к, частоти /.
При високому тиску газу Р (рис. 5.6) збільшення електричної міц-
ності Еміц залежить від зменшення довжини вільного пробігу елект-
ронів, а при малому тиску — від зменшення вірогідності зіткнення
електронів з молекулами газів. Пробій за високого вакууму можна
пояснити явищем вибухання електронів на поверхні електродів.
На залежності електричної міцності від тиску газу Р засноване
застосування газів як електричної ізоляції у вакуумних конденсато-
рах і кабелях, заповнених газом під тиском. Високу електричну
Рис. 5.6. Залежність
електричної міцності
газів від тиску (штрихо-
вою лінією відмічено
нормальний тиск)
міцність вакууму широко використовують
в техніці, наприклад, при конструюванні
електровакуумних приладів.
Електрична міцність Еміц збільшується
при зменшенні відстані між електродами
(к = 0,1 мм і менше) (рис. 5.7), що пов’язано
зі зменшенням вірогідності зіткнення елек-
тронів з молекулами газу' в міжелектродно-
му проміжку і труднощами формування роз-
ряду, оскільки вільні електрони та іони при
таких малих відстанях не встигають набути
енергії, достатньої для ударної іонізації.
233
І
і
І
£
Л*
$
в однорідному електричному полі
від відстані між електродами
Пробивна напруга газів
Ппр в однорідному електрич-
ному полі залежить від добут-
ку відстані між електродами к
і тиском газу Р. Ця залежність
була встановлена німецьким
вченим Ф. Пашеяом і носить
назву закону Пашена.
Пробій газів на високих ча-
стотах (/>104 Гц) пов’язаний з
утворенням об’ємних зарядів і
зі статичним запізненням
амплітудної напруги. Якщо ча-
стота струму, при якій проби-
вається газ, менше 104 Гц, то
його електрична міцність Гміц
при постійному і змінному
струмі однакова; при збіль-
шенні частоти струму пробивна напруга Рпр газового проміжку зни-
жується. Це пояснюється тим, що малорухомі іони при зміні напрямку
струму не встигають розсмоктатися і сприяють розвитку пробою.
Якщо частота струму вища 107 Гц, то иапівперіод дії напруги
менше часу, який необхідний для розвитку пробою, тому електрич-
на міцність газу зростає. Це явище називається статичним
запізненням напруги.
Пробій газу в неоднорідному полі. Неоднорідне поле утворю-
ється між електродами, якщо хоча б один з них має малу площу.
В основному неоднорідне електричне поле існує в газорозрядних при-
ладах, між контактами реле, між проводами лінії електропередачі.
Пробій газу в неоднорідному електричному полі відрізняється
від пробою в однорідному електричному полі за величиною про-
бивної напруги Рпр і за характером розвитку самого процесу про-
бою. Пробій газу в неоднорідному електричному полі, як правило,
виникає при меншій пробивній напрузі порівняно з пробоєм того ж
шару газу в однорідному електричному полі.
Особливістю пробою газу в неоднорідному полі є виникнення
часткового розряду у вигляді «корони», який супроводжується сві-
тінням і руйнуванням молекул. При подальшому підвищенні напру-
ги корона переростає в китичний розряд, який потім перетворюється
в іскровий. При великій потужності розряду утворюється дуговий
розряд, який супроводжується утворенням озону* і оксидів азоту,
характерним шипінням, потріскуванням і своєрідним світінням.
: І
й
/б
* Сполука з трьох атомів кисню, утворюється при розряді електрики;
газ з характерним запахом (від грец, огоп - пахучий)
234
Пробій часто виникає на границі розподілу з твердим діелект-
риком. Такий пробій у техніці називають поверхневим. На поверхне-
ву пробивну напругу у області низьких частот впливає вологість
повітря, ступінь запилення ізолятора і хімічний склад пилу. По-
верхневу пробивну напругу можна підвищити, збільшуючи шлях
поверхневого розряду. З цією метою поверхню ізолятора часто роб-
лять ребристою.
Особливістю пробою газів є негайне відновлення електричної
міцності іскрового проміжку після зняття прикладеної до елект-
родів напруги.
Газоподібні діелектрики при використанні у якості електроізо-
ляційних матеріалів мають високий питомий опір р, малу (близьку
до одиниці) діелектричну проникність є, малий тангенс кута діеле-
ктричних втрат Основними недоліками газоподібної електрич-
ної ізоляції є її низька електрична міцність, проте у багатьох випад-
ках це не має значення.
Як газоподібний діелектрик використовують повітря, інертні та
електронегативні гази.
Повітря — це суміш, яка складається із азоту N2(78,03), кис-
ню О2 (20,93%), вуглецевого газу СОз (0,03%), інертних газів (Не,
Хе, Аг, ЬІе, Кг) (0,1%). Відносна густина повітря дорівнює одиниці.
У багатьох випадках повітря є основним ізолюючим матері-
алом, наприклад, у повітряних конденсаторах, на ділянках повітря-
них ліній електропередачі повітря створює єдину ізоляцію між
голими проводами. Проте найчастіше воно є допоміжним діелект-
риком, що оточує деталі та вузли. Через свою поширеність повітря
входить до складу багатьох пристроїв.
Азот N2 — безбарвний газ без запаху. Він безбарвний навіть у
рідкому і твердому стані. Має однакові з повітрям електричну про-
никність, але менш активний, ніж повітря, яке містить кисень.
Основні властивості азоту:
відносна молекулярна маса ..........................28,016;
густина рідкого азоту при температурі, г/см3 :
180°С...........'............’......................0,75;
0°С..................................................1,2;
Температура, °С:
плавлення .............................................210;
кипіння .............................................. 196.
Молекула газоподібного азоту двоатомна і не розпадається на
окремі атоми навіть при високій температурі. Азот хімічно інерт-
ний, при кімнатній температурі не реагує з металами, за виключен-
ням літію. При нагріванні з’єднується з деякими металами (магній,
кальцій), а при дуже високій температурі — безпосередньо з киснем
і воднем.
235
Отримують азот із атмосферного повітря зрідженням з по*
дальшою ректифікацією. Вміст чистого азоту в газоподібному
продукті коливається від 99 до 99,9%, а в рідкому — становить
96%. Вміст кисню в газоподібному азоті становить не більше 1%,
а в рідкому — 4%.
У чистому вигляді азот застосовується порівняно рідко (для ви-
соковольтних конденсаторів постійності ємності, для наповнення
балонів освітлювальних ламп). У мікроелектроніці газоподібний
азот застосовується як захисне середовище, а рідкий — для напов-
нення пасток у вакуумних системах.
К и с е н ь г а з о п о д і б н и й О2 — це безбарвний газ без за-
паху і смаку.
Основні властивості кисню:
відпоєна молекулярна маса.................................32;
густина, г/см3...........................................142-
температура, °С:
кипіння .............................................182,9;
насичення киснем при нормальному тиску .................63;
частка:
чистого кисню у продукті, об. %* ..............99,5...99,7;
водяних парів при нормальних умовах, г/м3............0,005.
Одержують кисень з атмосферного повітря методом глибокого
охолодження або електролізом води.
Водень РІ2 — безбарвний горючий газ, що не має запаху; най-
більш легкий газ (1 л водню при нормальних умовах має масу 6,09 г).
Електрична міцність водню приблизно на 40% нижче
повітря.
Основні властивості водню:
відносна молекулярна маса ............................... 2,016;
густина, г/см3.........................................0,018;
температура кипіння, *С................................. 253.
Якщо до струменя водню піднести запаленого сірника, то во-
день загоряється і горить несвітним полум’ям. При підпалюванні
суміші, яка складається з двох об’ємів водню і одного кисню, вини-
кає практично миттєве з’єднання газів, яке супроводжується вибу-
хом. Іака суміш називається гримучим газом, Температура воднево-
го полум’я приблизно 1000°С, а при введені в нього надмірної
кількості кисню — 2500...3000°С.
Завдяки високій питомій теплопровідності і теплоємності во-
день використовують як охолоджуюче середовище замість повітря.
Великі електричні машини також заповнюються воднем для знп-
* Об’ємний процент.
ження втрат потужності від тертя ротора в газі і сповільнення
старіння органічних компонентів ізоляції. Водень використо-
вується як відновлювальне середовище при паянні і термічній
обробці.
Водень т е х н і ч н и й залежно від марки одержують елект-
ролізом води і хлористих солей або парової конверсії вуглеводневих
газів. Загальний вміст домішок у вигляді кисню О2, азоту N2, оксиду
водню СО, діоксиду вуглецю СО2, метану становить 0,2...5%.
Суміші технічного водню з хлором, киснем і повітрям вибухоне-
безпечні. Нижня границя вибуховості суміші водню з повітрям до-
рівнює 4 об.%, а верхня — 75 об.%. Нижня границя вибуховості
суміші водню з киснем також дорівнює 4 об.%, а верхня — 94%.
Суміш водню з хлором у відношенні 1:1 вибухає на світлі. При ро-
боті з воднем необхідно дотримуватись обережності.
Вуглекислий газ СО2 — рідина без запаху І смаку.
Основні властивості вуглекислого газу:
температура сублімації, °С..................................78,5;
частка діоксиду вуглецю в робочому продукті, не менше.........98;
частка вологи ...............................................6,1.
Гелій Не - інертний газ, найбільш легкий із всіх інертних газів.
Основні властивості гелію:
відносна атомна маса.....................................4,0026;
густина, г/см3 ............................................1,138;
температура, °С:
кипіння......................................................269;
плавлення................................................ 272.
Гелій не горить і не підтримує горіння. При кімнатній темпера-
турі звичайне скло, залізо, паладій і платина непроникні для гелію,
проте він проникає крізь кварцеве скло, а при високій температурі —
крізь фосфор.
Гелій має унікальні властивості: має найнижчу електричну
міцність Еміц (приблизно в 17 разів меншу, ніж у повітря), найниж-
чу порівняно з газами температуру зрідження; діелектрична про-
никність є рідкого гелію практично не відрізняється від діелектрич-
ної проникності газів; коефіцієнти термічного розширення газо-
подібного і рідкого гелію одного порядку.
Завдяки надзвичайно низькії! теплоті випаровування зрідже-
ний гелій застосовують як низькотемпературний холодоагент. При
випаровуванні рідкого гелію була отримана найнижча температура,
всього на декілька десятих градуса вище абсолютного нуля. В мікро-
електроніці гелій застосовують як індикатор газу при контролі гер-
метичності мікросхем.
236
Аргон Аг2 — безбарвний інертний* газ, практично у 2 рази
важчий за повітря (1 л аргону при нормальних умовах має масу
1,781 г).
Основні властивості аргону:
122;
відносна молекулярна маса ...................,.....
густина, г/см3.....................................
температура, °С:
кипіння...........................................
плавлення ........................................
Аргон має сприятливі властивості: відносно низький потенціал
іонізації, хімічну інертність, невисоку теплопровідність, більш про-
сту порівняно з іншими інертними газами технологію одержання й
очищення. Застосовується в газоподібних приладах і освітлюваль-
них лампах, у мікроелектроніці як захисний газ при мікропаянні,
мікрозварюванні; при збиранні і міжопераційному зберіганні при-
ладів в інертному середовищі; як газ-иосій при виробництві
напівпро в і днпкових мат ер і ал і в.
Деякі гази, головним чином з високою молекулярною масою і
густиною, електронегативні. Ці гази, які містять галогени (фтор,
хлор та ін.) і для іонізації яких необхідна велика енергія, мають
порівняно з повітрям більш високу електричну міцність. До них
відносяться елегаз, перфторовані вуглеводні, тобто вуглеводні, в
молекулах яких всі атоми водню заміщені атомами фтору.
Ш е с т и ф т о р и с т а сірка (гексафторид сірки 8Гс) має
електричну міцність приблизно в 25 разів більшу, ніж повітря.
Вперше дослідивши цей газоподібний діелектрик, вчений Б. М, Гох-
берг назвав його елегазом (скорочено від слів «електрика» і «газ»),
Елегаз не токсичний, хімічно стійкий, не розкладається при нагрі-
ванні (до температури 800°С), може бути стиснутий (при нормальній
температурі) без зрідження до тиску 2 МПа. До одного з недоліків
елегазу відносять його відносну високу вартість. Для здешевлення ви-
робів або технологічних операцій Із застосуванням елегазу його часто
використовують у суміші з більш дешевим азотом, Елегаз застосо-
вується в газона повне них високовольтних конденсаторах, а також як
електронегативний газ при контролі герметичності мікросхем.
У мікроелектроніці застосовують різні гази та їх суміші, до чис-
тоти яких ставляться високі вимоги, оскільки наявність домішок у
вигляді сторонніх газів і завислих частинок може призвести до зни-
ження електричних параметрів готових приладів. У вихідних газах
допускається до 0,5...1,0% домішок. Основну масу домішок, що
потрапили у газ в результаті газовиділення стінок апаратури, ста-
*Який має Інерцію. Інертні гази — благородні гази: гелій, неон, аргон,
радон, ксенон, криптон — мають низьку хімічну активність.
238
як газ-иосій при виробництві
з високою молекулярною масою і
39,94;
1,78;
новлять пари води. Крім того, у газах можуть міститися оксид
вуглецю, сірчаний газ, хлор, фтор. Щоб знизити рівень забруднені»
газів, трубопроводи, вентилі і частини установок виготовляють
з високочистих вакуумних матеріалів з низьким газовиділенням
(з нержавіючої сталі, міді, алюмінію, скла, фторопласту та ін.).
Транспортують гази в металевих балонах, пофарбованих у колір, що
відповідає певному виду газу.
Сушіння газів виконують за допомогою адсорбентів (силікагель,
алюмогель або цеоліт), які мають високі адсорбційні властивості.
і 5.11. АКТИВНІ ДІЕЛЕКТРИКИ //
Основною властивістю звичайних (пасивних) діелектриків, яка
широко використовується в радіоелектроніці, є поляризація, інду-
кована* зовнішнім електричним полем.
Активні діелектрики відрізняються від звичайних тим, що їхніми
електричними властивостями можна керувати в широкому діапа-
зоні, діючи на них електричними, магнітними, тепловими полями
та ін. Так, поляризація може створюватись не тільки електричним
полем, але й під час деформації (п’єзоелектричний ефект), намагні-
чування (сегнетомагнітний ефект), зміни температури (піроелект-
ричний ефект). Можливі також і зворотні явища.
Активні діелектрики використовуються для генерації, підсилен-
ня, модуляції і перетворення електричних сигналів. До активних
діелектриків відносять сегнетодіелектрики, п’єзоелектрики, елект-
рети, діелектрики для оптичної генерації, електрооптичні матеріали.
5.11.1. Сегнетодіелектрики б. / і
СегнетоЗіелектриками називають матеріали, які мають спон-
танну (мимовільну) поляризацію в певному інтервалі температур.
Спонтанна поляризація — це поляризація, яка виникає у діелект-
рику під впливом внутрішніх процесів, без зовнішньої дії. Це явище
пов’язане з особливостями сегнетодіелектриків.
Об’єм сегнетодіелектрика розділений на домени, які являють со-
бою макроскопічні області з різним напрямком векторів спонтанної
поляризованості Рс. За відсутності зовнішнього електричного поля
сумарна поляризованість зразка в цілому дорівнює нулю. При дії
зовнішнього електричного поля вектори спонтанної поляризації
диполів орієнтуються, в основному, у напрямку поля, що викликає
ефект дуже сильної поляризації, наслідком чого є надвисоке зна-
чення діелектричної проникності є.
* Вимушене відносне зміщення протилежно заряджених частинок, що
входять до складу атомів або молекул діелектрика, під дією електричного
поля (від латин, іпсіисіїо — збудження, наведення).
239
У
а*
Рис. 5.8.
Петля діелектричного
гістерезису ідеального
сегнетодіелектрика:
Рс — поляризованість сегнето-
діелектрика; Ес — напруженість
зовнішнього електричного по-
ля; Рн —- поляризованість по-
чатку ділянки насичення; Ен —
напруженість початку ділянки
насичення
Залежність поляризованості Р від на-
пруженості зовнішнього електричного по-
ля Е в сегнетодіелектриках нелінійна і при
циклічній зміні напруженості поля має
вигляд характерної замкнутої кривої, яка
називається петлею гістерезису (рис.5.8 ).
При напруженості поля Е = 0 поляри-
зованість Р зразка, що складається з одно-
го домену, дорівнює +РС або ~РС. Зі
збільшенням напруженості поля, яке
прикладене в напрямку Р?, поляризова-
ність Р зростає лінійно завдяки звичай-
ним механізмам поляризації (електронно-
му, іонному, дипольному). Якщо прикла-
дати електричне поле протилежного зна-
ку, то при деякому значенні напруженості
поля Ес виникає переполяризація, тобто
зміна напрямку вектора Рс на протилежне.
Напруженість поля, при якому виникає
зміна напрямку спонтанної поляризова-
ності, називають коерцитивною силою Нс.
Сегнетоелектрична точка Кюрі — температура, при якій вини-
кає (при охолодженні) або зникає (при нагріванні) спонтанна по-
ляризація. Діелектрична проникність є речовини при температурі
точки Кюрі Гк максимальна. Після досягнення точки Кюрі виникає
фазовий перехід із сегнетоелектричного стану в параелектричне,
КОЛИ Рс = 0.
Діелектрична проникність є і тангенс кута діелектричних втрат
сильно залежить від частоти, особливо в області високих частот.
Розглянуті особливості поляризації були вперше відкриті у кри-
сталі сегнетової солі, а діелектрики з такими властивостями одержа-
ли назву сегнетоелектриків. За характером хімічного зв’язку і видом
поляризації сегнетоелектрики поділяються на іонні та дипольні.
У іонних сегнетоелектриків спонтанна поляризація є наслідком
зміщення іонів із положення рівноваги. До іонних сегнетоелектриків
відносяться багато сполук зі структурою типу перовскиту (мінерал
СаТіОз), титанат барію ВаТіОз (Гк = 120°С), титанат свинцю РЬТіОз
(Гк = 490°С). ніобат калію КИЬОз (Гк = 435°С) та ін.
В елементарній комірці дипольних сегнетоелектриків
містяться атоми або групи атомів з двома положеннями рівноваги.
Комірка має електричний момент т. В результаті хаотичного тепло-
вого руху атоми переміщуються з одного положення в інше, викли-
каючи переорієнтацію моменту т структурної одиниці. До диполь-
них сегнетоелектриків відносять сегнетову сіль ХаКСдНдОИШО
(Гк == 24°С), нітрид натрію МаЬЮг (Гк = 160°С).
240
Із сегнетоелектриків у різних галузях електроніки застосову-
ються сегнетова сіль і сегнетокерамічні матеріали.
Сегнетова сіль має такі властивості і недоліки:
залежність від вологості навколишнього середовища; при нор-
мальній температурі і вологості повітря понад 85% сегнетова сіль
починає поглинати пари води і повільно розчинятись; при вологості
менше 35% виникає зворотний процес — дегідратація (зневодню-
вання), тобто виділення кристалічної води, яка входить до її складу;
низька нагрівостійкість; при підвищеній температурі сегнетова
сіль розкладається па тартрат натрію, тартрат калію та їхні насичені
розчини з виділенням води;
анізотропія*, що дозволяє вирізати зразки тільки в певній пло-
щині.
Ці недоліки обмежують застосування сегнетової солі в техніці.
С е г н е т о к е р а м Ічні м а т е р і а л и мають різні власти-
вості, на які впливають хімічний склад і концентрація домішок. Із
сегнетоелектричиих матеріалів широко застосовуються конденса-
торна сегнетокераміка, нелінійна кераміка, терморсзистивна сегне-
токераміка і сегнетоелектрики з прямою петлею гістерезису.
До кой д е н с а т о р н о ї с е г н е т о к е р а м і к ц відносять ма-
теріали на основі титанату барію ВаТіОз.
Титанат барію має такі властивості:
високе значення діелектричної проникності £ і різко виражена її
залежність від температури Ті напруженості електричного поля Е;
нелінійний характер залежності діелектричної проникності від
напруженості електричного поля, внаслідок чого має місце
нелінійна залежність ємності конденсаторів від напруженості елек-
тричного поля;
можливість підбирати сполуки з дуже високим значенням ді-
електричної проникності і з різною її залежністю від температури і
напруженості електричного поля; такими сполуками є тверді розчи-
ни титанату барію та інших сполук, наприклад, в титанаті стронцію
ЗгТіОз, титанаті кальцію СаТіОз, станаті барію ВаЗпОз та ін.
Конденсаторна сегнетокераміка застосовується для виготовлен-
ня нелінійних конденсаторів, які використовуються для діелект-
ричних помножувачів частоти, в підсилювачах напруги і потуж-
ності, стабілізаторах.
Н е л і н і й н а сегнетокераміка має виражену нелі нійну
залежність діелектричної проникності від напруженості електрич-
ного поля порівняно з титанатом барію.
Нелінійні діелектричні конденсатори, ємність яких залежить
від прикладеної напруги, називають варікондами.
* Неоднаковість фізичних властивостей тіла (напр., електропровід-
ності; від грец. апізоз — нерівний + ігороз — якість).
241
Конструктивно варікондн виконують у вигляді дискових абсГ
плівкових плоских керамічних конденсаторів.
Залежно від галузі застосування у варікондах використовують
два види діелектричної нелінійності — ефективну і реверсивну.
Ефективна нелінійність — це залежність ємності від амплітуди
прикладеної напруги (синусоїдальної, імпульсної або будь-якої іншої
форми). Вона існує тільки на низьких частотах. На високих частотах
ємність варіконда не залежить від напруженості електричного поля.
Ефективну нелінійність використовують у стабілізаторах змінної на-
пруги, в пристроях іскрогасіння, для підвищення контрастності елект-
ричних пристроїв зображення, індикаторів, телевізійних екранів.
Реверсивна нелінійність — це зміна ємності в змінному полі
іншим, керуючим електричним полем. Керуюча напруга прикла-
дається до варіконда одночасно зі змінною. Керуюче поле може бу-
ти постійним або повільно змінюватись. Частота напруги у керую-
чого поля менша частоти напруги змінного поля, а амплітуда керу-
ючої напруги — вище амплітуди змінної напруги.
Реверсивна нелінійність сегнетоелектриків використовується в
діелектричних підсилювачах, стабілізаторах напруги, пристроях
автоматики, які працюють на низьких частотах і які не критичні до
таких недоліків, як великі втрати, гістерезисний характер залеж-
ності діелектричної проникності від напруженості електричного
поля, температурної і тимчасової нестабільності.
Зменшення товщини шару кераміки до декількох десятків
мікрон дозволяє одержати плівкові варікондн, які працюють при
дуже низьких напругах.
Те р м о р е з и с т и в н у с е г н е т о к е р а м і к у за характером
електропровідності (питомий електричний опір р< 109 Омм) можна
віднести до напівпровідників, проте завдяки спонтанній поляризації
і фазовому переходу до точки Кюрі терморезистивиа сегнетокерамі-
ка має низку властивостей, які не притаманні напівпровідникам.
Наприклад, позисторний ефект, який полягає у різкому збільшенні
питомого електричного опору р при підвищенні температури побли-
зу точки Кюрі. Він характерний для твердих розчинів титанату барію
— стронцію, тптанстанату барію та ін. Із твердих розчинів ВаТіОз —
ЗгТіОз, ВаТІОз — РЬТіОз, ЗгТЮз — РЬТіОз виготовляють опори
терморезистори-позпстори зі стрибкоподібним зростанням опору, а
для плавного збільшення питомого електричного опору р використо-
вують тверді розчини ВаТіОз ~ ВаЗпОз, ВаТіОз — Ва2гОз та ін.
Позистори мають номінальний опір від 10 Ом до 10 кОм; найбіль-
ший температурний коефіцієнт електричного опору ТКр = (0,1...0,2) К’1;
температурний інтервал з найбільшим ТКр, приблизно 30°С.
Позистори використовують для вимірювання і регулювання
температури, термокомпенсації радіосхем, у малогабаритних тер-
мостатах, стабілізаторах струму та ін.
242
Сегнетоелектрики з прямокутною петлею
гістерезису застосовують у запам’ятовуючих пристроях (ЗП)
електронно-обчислювальних машин (ЕОМ). При відсутності зов-
нішнього електричного поля поляризований сегнетоелектрик має
два стабільних стани з полярпзоваиостями +РС і -Рс (див. рис. 5.8).
Один з цих станів у запам’ятовуючій комірці ЕОМ відповідає
зберіганню одиниці, а другий — нулю. Якщо напругу запису зміню-
вати, то сегнетоелектрик можна перевести із одного стану в інший.
Основними вимогами до матеріалів ЗП є прямокутність петлі гісте-
резису, яку визначають за формулою:
Кцр ” Рс/Ріь
де Рп — значення поляризованості на початку ділянки насичення петлі
гістерезису.
Коефіцієнт Кщ>< 1 і для матеріалів ЗП Х*пр ~ 0,85...0,95. Матеріа-
ли для ЗП повинні мати:
малу коерцитивну силу Рс, тобто таку напруженість елект-
ричного поля, яка необхідна, щоб змінити напрямок спонтанної
поляризованості;
велику залишкову поляризованість;
високу швидкодію, яка визначається часом перемикання (пере-
поляри.зації) сегнетодіелектрика із одного стану в інший, напри-
клад, ІЗ +Рс В -Рс.
Для кращих сегнетоелектрпчнпх матеріалів швидкодія стано-
вить десятки наносекунд.
Для виготовлення ЗП найчастіше використовується кераміка
на основі твердих розчинів цпркоиату — титанату свинцю.
5,11,2, П’єзоелектрики уССе
' <
♦ . *
П’езоелектриками називають тверді, анізотропні кристалічні ре-
човини, які мають п’єзоефект. П’єзоефект був відкритий братами
Кюрі в 1880 р.
Явище утворення електричного заряду на поверхні відповідних
граней діелектрика (поляризації) при його деформації під дією ме-
ханічних напружень називають прямим п’єзоелектричним ефектом.
Поляризованість А що при цьому виникає, прямо пропорційна
прикладеному механічному напруженню о:
Р « <7п,
де сі — коефіцієнт пропорційності, який називається п’єзоелектричним мо-
дулем, або п’єзомодулем.
П’єзомодуль визначає поляризацію кристалу або густину заря-
ду на його обкладках при заданому прикладеному механічному
напруженні.
243
Зміна знаку о, тобто заміна розтягування стискуванням, при-
зводить до зміни знаку полярності Р, тобто переполяризації.
Матеріали з прямим п’єзоелектричним ефектом використову-
ються для перетворення механічних напружень або зміщень у елек-
тричні сигнали (звукознімачі, приймачі ультразвуку, датчики де-
формацій).
Зміна форми діелектрика при зміні напруженості електричного
поля називається зворотним п’єзоелектричнім ефектом. При цьо-
му розміри діелектрика змінюються за лінійним законом. Якщо
такий п’єзоелектрик розмістити в електричному полі, то амплітуда
механічних коливань буде змінюватись з частотою змінного поля.
При збіганні частоти електричного поля і власної частоти п’єзо-
електрика амплітуда набуває максимального значення.
Зворотний п’єзоефект використовують для перетворення елект-
ричних сигналів у механічні (акустичні випромінювачі, генератори
ультразвуку).
П’єзокераміка. Сегнетокераміка є ізотропним матеріалом І не
володіє п’єзоефектом. П’єзоелектричний ефект в сегнетоелектриках
утворюється в процесі витримування їх у сильному постійному
електричному полі при температурі 1ОО...15О°С протягом тривалого
часу (приблизно 1 год). Для цього на поверхню кераміки наносять
срібні електроди, до яких прикладають напругу, з розрахунку де-
кілька кіловольт на кожний сантиметр товщини зразка. Під впливом
цього поля домени орієнтуються в напрямку прикладеного поля і за-
кріплюються в цьому напрямку вільними зарядами протилежних
знаків. Після зняття поля і охолодження в зразку зберігається стійка
залишкова поляризація. При цьому зразок набуває анізотропної
текстурованої* будови, що й призводить до появи п’єзоефекту.
Поляризовану сегнетокераміку, призначену для використання її
п’єзоефекту, називають п’єзокерамікою. П’єзокераміка являє собою
полі кристалічну речовину і тому результуючий п’єзоефект вираже-
ний в ній слабкіше, ніж у монокристалі. Проте застосування п’єзоке-
раміки зумовлено можливістю виготовлення виробів будь-якої
форми і розмірів, низькою вартістю порівняно з монокристалами.
Залежно від призначення п’єзокерамічні матеріали поділяють
на чотири класи.
Матеріали І класу застосовують для виготовлення високочут-
ливих п’єзоелементів, які працюють у режимі прийому або випро-
мінювання слабких механічних коливань. Оскільки механічні й
електричні напруження при цьому невеликі, то у виробах викорис-
товують сегнетом’які матеріали.
*Текстура (від латин, іеліига) ~ особливості будови твердої речовини,
яка обумовлена характером розташування його складових (кристалів, зе-
рен тощо).
244
Матеріали П класу призначені для п’єзоелементів, які працюють
в умовах сильних електричних і механічних напружень. У цьому ви-
падку, щоб виключити розполяризацію п’єзоелемента зовнішнім
електричним полем, використовують сегнетотверді матеріали. З них
виготовляють потужні джерела ультразвуку і системи запалювання.
Матеріали III класу використовуються в п’єзоеле ментах, які по-
винні мати підвищену стабільність частотних характеристик у часі
і при зміні температури.
Матеріали IV класу використовують в особливих випадках,
наприклад, коли потрібна експлуатація п’єзоелементів в умовах
впливу підвищеної температури. В цьому випадку використовують
сегнетоелектрики з високою точкою Кюрі (вище 7к = 300°С),
оскільки випадкове перегрівання п’єзоелемента вище Тк призво-
дить до втрати ним п’єзоелектричних властивостей.
Як п’єзокерамічні матеріали використовують титанат барію і
його похідні, ніабат барію — свинцю, цирконат — титанат свинцю і
його похідні.
П’єзоелектричні монокристали. Як уже відмічалось, п’єзоке-
раміка має полікристалічну структуру, що унеможливлює її засто-
сування на частотах вище 10 МГц.
На високих частотах (ВЧ) і надвисоких частотах (НВЧ) засто-
совують тільки монокристал Ічні природні або синтетичні п’єзо-
електрики. До них відносяться кварц, ніобіт літію ІлИЬОз, танталат
літію ЬіТаОз, сфалерит 2п8, сульфід кадмію Сс18, оксид цинку 7пО,
титанат барію ВаТіОз та ін.
Кварц — (гірський кришталь) -- діоксид кремнію 8ІО2,
поширений в природі мінерал, який має:
високі електричні властивості (тангенс кута діелектричних
втрат < 0,0001);
стабільність частоти власних коливань;
порівняно невелике значення п’єзомодуля, що мало залежить
від температури і вологості довкілля;
високу твердість і механічну міцність, що утруднює виготовлен-
ня пластин заданої форми і розмірів (їх нарізають алмазними пил-
ками і оброблють на спеціальних шліфувальних верстатах);
сильну анізотропію;
високу вартість.
Поряд з природними кристалами все ширше використовують
синтетичні, які мають такі переваги: добротність п’єзоелементів із
природного кварцу різко падає при нагріванні до температури
250°С, а п’єзоелементи із синтетичного кварцу зберігають високу
механічну добротність при температурі до 500°С.
Діоксид кремнію являє собою безбарвні прозорі кристали у ви-
гляді зрізаних шестикутних призм (рис. 5,9). Кварц має головну оп-
тичну вісь 2, три електричні У і три механічні X. Вісь 7 проходить
245
вздовж кристала крізь вершини
пірамід. Три вісі X проходять крізь
вершини шестикутника в площині,
перпендикулярній вісі 2. Три вісі У
проходять перпендикулярно сторо-
нам того ж шестикутника. Пластини,
що застосовуються для виготовлення
пристроїв, являють собою вирізані з
кристалу зрізи, орієнтовані відносно
вісей X, V, 2. Зрізи кварцу перпенди-
кулярні осі 2, не володіють п’єзоефек-
том. Поляризацію вздовж осі У мож-
на одержати тільки за рахунок зсуву
механічних напружень. Поздовжній
п’єзоефект є тільки вздовж осі X. Про-
те найчастіше застосовуються плас-
тини косих зрізів кристала, грані яких
нахилені відносно його вісей.
Кварц застосовують для стабілі-
зації частоти генераторів електрич-
них коливань.
Ніобат літію ІлМЬОз (точка Кюрі
1200°С) і танталат літію ЬіТаОз
(точка Кюрі 610°С) — синтетичні кри-
стали, які часто використовують
замість кварцу. Вони мають більш ви-
сокі, ніж кварц, п’єзоелектричні характеристики. Тому їх застосуван-
ня перспективніше в діапазоні високих і надвисоких частот.
Ці матеріали застосовують, в основному, в лініях затримки і
фільтрах об’ємних і поверхневих хвиль. Використання цих крис-
талів замість кварцу дозволяє знизити вплив паразитних коливань,
розширити смугу пропускання при менших розмірах, знизити опір
у смузі прозорості.
Сфалерит 2п8, сульфід кадмію Сії 8, оксид цинку 2пО є гґєзо-
напівпровідниками, які використовуються, в основному, для
плівкових перетворювачів електромагнітних коливань в акустичній
зоні на високих і надвисоких частотах (до 40 ГГц). Плівки подібних
сполук напилюються у вакуумі безпосередньо на поверхні виробу, в
якому необхідно збуджувати акустичні хвилі.
5.11.3. Електрети •
Електретами називаються діелектрики, які тривалий час ство-
рюють у навколишньому просторі електричне поле за рахунок по-
передньої електризації або поляризації,
246
Вперше електрети були одержанні у 20-і роки XX століття. Вони
являють собою суміші воску і смол, розплав яких охолоджують у
постійному електричному полі. При застиганні повернута до аноду
поверхня електрету зберігає негативний, а протилежна — позитив-
ний заряди. Таким чином виникають зв’язані поверхневі електричні
заряди. Густина цих зарядів з часом зменшується, але потім утворю-
ються вторинні заряди протилежного знаку. Для одержання найвищої
густини зарядів (приблизно 0,3 Кл/м2) необхідно створювати напру-
женість електричного поля приблизно (1О...12)1О3 В/м. При вищій
напруженості електричного поля виникає іонізація повітря, що при-
зводить до поверхневого перекриття.
Електрети руйнуються при плавленні або під впливом сильного
змінного електричного поля, ультразвуку і поля високої частоти.
Органічні електрети зберігають у закороченому стані, напри-
клад, упакованими в фольгу. При неправильному зберіганні або
перебуванні електрету у середовищі з відносною вологістю понад
80% виникає порівняно швидке зменшення густини зарядів.
Залежно від способу формування заряду розрізняють елсктро-
електрети, термоелектрети, фотоелектрети, радіоелектрети і трибо-
електретп.
Електроєлектрети одержують під час дії на діелектрик
тільки електричного поля при кімнатній температурі. Вільні носії
зарядів (іони і електрони), прискорені електричним полем, бомбар-
дують поверхню діелектрика в проміжку між діелектриком і елект-
родом (рис. 5.10, л) І створюють заряджений поверхневий шар.
Те р м о ел е к т р е т и одержують при охолодженні нагрітого
або розплавленого діелектрика в сильному електричному йол. Піс-
ля охолодження рухомість полярних молекул або вільних зарядів
різко зменшується і діелектрик може зберігати залишкову поляри-
зацію тривалий час (рис. 5.10, б).
а * © © 0 © ©Г __ д я 1-Х 1 —- 1 я » 1 б в г Рис. 5.10. Схеми формування зарядів в електретах: д — термоелектрет; б — фотоелектрет; в — радіоелектрет; г — електроелектрет; д — трибоелектрет
247
Фотоелектрети одержують при спільній дії електричного
поля і світлової енергії на матеріали, які мають фотопровідність.
Після припинення впливу світлової енергії носії різнойменних за-
рядів виявляються «замороженими» у протилежних сторонах
діелектрика, який перетворюється в електрет (рис. 5.10, в).
За умови зберігання в темноті фотоелектрети можуть отримува-
ти заряди від декількох діб до декількох місяців.
Радіоелектрети виготовляють при дії на діелектрик радіо-
активного випромінювання (прискорених заряджених частинок).
У результаті ударної іонізації поверхневого шару або введення в
поверхневий шар діелектрика прискорених заряджених частинок
на його поверхні утворюється заряджений шар (рис. 5.10, г).
Трибоелектрети одержують під час тертя двох діелект-
риків. При щільному контакті двох діелектриків електрони діелек-
трика з меншою роботою виходу переходять у діелектрик з більшою
роботою виходу (рис. 5.10, д).
З часом заряд електрета змінюється, що пов’язано з руйнуван-
ням залишкової поляризації. Час, протягом якого значення стабілі-
зованого заряду зменшується в 2,72 разу, називають часом життя
електрета. Він може дорівнювати десяткам, а для деяких елект-
ретів — сотням років.
У якості електретів можна використовувати органічні й неорга-
нічні матеріали. Електрети із органічних матеріалів умовно поді-
ляють на електрети, одержані з природних матеріалів, і електрети із
синтетичних матеріалів.
Як природні матеріали для виготовлення електретів використо-
вують смоли (каніфоль, шелак, бурштин) та їх суміші, а також
цукор, асфальт, ебоніт, слюду та ін. Ці електрети мають низьку
стабільність величини заряду, дуже високу чутливість до умов
зберігання; термін життя не більше 1 року.
Природні електрети для виготовлення виробів радіоелектроні-;'
ки не використовуються.
Як синтетичний матеріал для виготовлення електретів застосо-
вують тонкі органічні слабкополярні і нейтральні полімерні плівки
з високими діелектричними властивостями (поліетилентерафталат,
полікарбонати, поліпропілен та ін.).
Синтетичні електрети (плівкові) застосовують як мембрани у
мікрофонах, віброперетворювачах.
Електрети із неорганічних матеріалів являють собою групу еле-
ктретів із тита но вміщуючої кераміки, ситалів, різних стекол (ма-
лолужного боросилікатного, кварцевого та ін.).
Електрети використовують для виготовлення електростатич-
них вольтметрів, елементів електричної пам’яті, дозиметрів про-
никної радіації, для світлового запису інформації на діелектричну
плівку (аналогічно запису на магнітну стрічку).
248
5.11.4. Діелектрики для оптичної генерації
Атоми в молекулах розміщуються на різних енергетичних
рівнях. Якщо збуджений атом мимовільно переходить з більш висо-
кого енергетичного рівня 2 на більш низький рівень 1, він випро-
мінює фотон, тобто частинку світла (рис. 5.11, а). Таке випроміню-
вання називають спонтанним {мимовільним}.
При цьому енергія атома зменшується:
^=1^2-171, (59)
де IV — кількість енергії, на яку зменшилась енергія електрона, що пере-
йшов на більш низький енергетичний рівень;
ц/2 _ енергія більш високого енергетичного рівня;
И7! — енергія більш низького енергетичного рівня.
Різниця в енергії Ц7випромінюється у вигляді кванта з частотою:
/ = ІУД
де к — постійна Планка.
Спонтанні випромінювання
різних атомів не пов’язані один з
одним, тому спонтанне випромі-
нювання некорегентне*.
Якщо на атом діяти фотоном
ззовні, наприклад, спонтанно ви-
промінюваним фотоном сусід-
нього атома, то випромінювання
збудженого атома називають
індукованим, або стимульованим
(рис. 5.11, б). При цьому ви-
Атом
(60)
Атом
Рис. 5.11. Схеми квантових
переходів в дворівневій системі:
а — спонтанне випромінювання; б — сти-
мульоване випромінювання; 1 — нижній
основний рівень; 2 — більш високий
енергетичний рівень
промінюється одночасно два фо-
тони з однаковими частотами. Якщо тіло містить багато збуджених
атомів, то ці два фотони примушують випромінювати й інші атоми.
У цьому випадку сумарне випромінювання тіла когерентно, тобто
випромінювання різних атомів пов’язане один з одним.
На можливість стимульованого випромінювання поряд зі спон-
танним вказав А. Ейнштейн, а перші прилади на основі стимульовано-
го випромінювання були створені в середині XX ст. в колишньому
СРСР Н. Г. Басовим і А?М. Прохоровим, в США — Ч. Таунсом.
У нормальних умовах, тобто умовах теплової рівноваги, більшість
частинок знаходиться на нижньому енергетичному рівні. Випадково
збуджені атоми звільняються від надлишкової енергії спонтанним
випромінюванням і переходять на нижній енергетичний рівень.
* Когерентність (від латин, сокаегепііа — зчеплення, зв’язок) — узгод-
жений перебіг у часі декількох коливальних або хвильових процесів з
постійною різницею фаз. Когерентні хвилі при складанні підсилюються
або послаблюють одна одну (спостерігається інтерференція хвиль).
249
Для того, щоб одержати когерентний, тобто узгоджено минаючий
з часом, світловий потік, необхідно наповнити верхній енергетичний
рівень надлишковою кількістю частинок. Цей процес називають зво-
ротною заселеністю або інверсією*. Електромагнітна хвиля з часто-
тою /, проходячи крізь середовище із зворотною заселеністю рівнів,
стимулює перехід частинок з цих рівнів на нижні основні рівні. Кван-
ти енергії стимульованого випромінювання, що при цьому виділи-
лись, збільшують енергію зовнішньої електромагнітної хвилі. На
цьому явищі заснована робота квантових генераторів і підсилювачів.
Для створення зворотної заселеності в дворівневій системі до неї
подають електромагнітне поле від зовнішнього джерела з резонансною
частотою /= XV/к. Оскільки у вихідному стані більшість частинок зна-
ходились на нижньому основному рівні 1, то під дією електромагнітно-
го поля виникає їх часткове переселення на верхній рівень 2 і вирівню-
вання кількості частинок на рівнях 1 і 2. Процес збудження частинок їх
переселенням на більш високі енергетичні рівні під дією зовнішнього
поля називається накачуванням, а зовнішнє поле — полем накачування.
Після вимкнення зовнішнього поля накачування на верхньому рівні
утворюється надлишкова кількість частинок порівняно з рівноважним
і система стає підготовленою до стимульованого випромінювання.
Час, за який система знову повернеться до рівноважного стану,
називається часом релаксації.
Недоліками дворівневої системи є нестабільність збудженого
стану, оскільки за час релаксації система спонтанно переходить в
основний стан. Тому для роботи квантових приладів для генерації і
підсилення електромагнітних хвиль — мазерів (НВЧ діапазон) і ла-
зерів (оптичний діапазон) застосовують чотпрпрівиеві системи.
До активних діелектриків для квантових приладів ставлять такі
вимоги:
оптична однорідність для зменшення втрат випромінювання
всередині діелектрика;
висока теплопровідність, яка виключає перегрівання робочого
елемента;
найбільший квантовий вихід — відношення випроміненої
енергії квантів на робочій частоті до поглиненої від джерела енергії
накачування;
технологічність, тобто здатність діелектрика набувати необхід-
ної форми.
Як активні діелектрики для оптичної генерації застосовують ве-
лику кількість твердих, рідких і газоподібних матеріалів, що
містять активовані домішки (іони Сг3+, №3+, Ссі3+, І)3*).
Матеріали для твердотілих лазерів. Як активний елемент твер-
дотілих лазерів застосовують кристалічні діелектрики, до яких
* Порушення нормального порядку (від латин. іптзегзІо — перевертання,
перестановка).
250
відносяться високотемпературні монокристали оксидів 7пО, АІ2О3,
ТІО2, ЗіОг, вольфрамати, молібдатп, ніобати та інші кисневі
з’єднання; монокристали фторидів СаРг, Ва?2, ЬаГз, Мп?2, а також
стекла на основі кисневих з’єднань і фторидів.
Рубін — це кристал АІ2О3 блідо-рожевого кольору, в якому час-
тина іонів алюмінію А13+ заміщені іонами хрому Сг3+.
Для активації рубіну в розплав при витягуванні монокристалу
вводять приблизно 0,05% оксиду хрому. Іони хрому заміщають час-
тину іонів алюмінію і утворюють в кристалі відповідні енергетичні
рівні. Верхні рівні утворюють смуги поглинання, куди при накачу-
ванні надходять іони хрому. На цих рівнях вони знаходяться у збу-
дженому стані приблизно 500 мкс, а потім більша їх частина пере-
ходить на метастабільний* рівень. Цей перехід не супроводжується
випромінюванням, оскільки виділена енергія розсіюється в об’ємі
матеріалу у вигляді теплоти. Час життя частинок на метастабільному
рівні порівняно великий і становить приблизно 3000 мкс. Перехід з
метастабільного рівня на основний виникає в режимі генерування з
виділенням енергії у вигляді гостронаправленого топкого променя
фотонів.
Активований рубін має високий квантовий вихід (70%), вира-
жену механічну міцність, високу теплопровідність, стійкість проти
впливу потужного випромінювання, хімічну стійкість, можливість
одержувати порівняно великі оптично однорідні монокристали.
Ітрійалюмінієвий гранат УзАІдОіг, легований неодимом Ш3+,
має довжину хвилі випромінювання 1,06 мкм, високу механічну
міцність, добру теплопровідність, низьку порогову енергію збуд-
ження. Завдяки цим можливостям гранат використовують у лазе-
рах, які працюють у режимі безперервної генерації з вихідною по-
тужністю в декілька сот ват, а також у частотному режимі з часто-
тою повторення імпульсів від 5 кГц до одиниць гігагерц І в режимі
одиничних імпульсів з імпульсною потужністю в десятки мегават.
Флюорит кальцію Са?2 активують ураном. При концентрації
урану Ц3+ приблизно 0,05% довжина хвилі випромінювання ста-
новить 2,5 мкм.
Спеціальні стекла активують іонами рідкоземельних металів.
Активовані стекла виготовляють із силікатних, фосфатних, борат-
них, фтористих, телурових, германієвих та інших стекол. Як акти-
ватор у скломасу найчастіше вводять 3,5% оксиду неодиму МскОз.
Такий його вміст забезпечує високу інтенсивність випромінювання
фотонів і відносно великій час метастабільного стану (до 1000 мкс).
Для забезпечення фотохімічної стійкості скла в області ультра-
фіолетового випромінювання джерела накачування до його складу
вводять оксид торію (десяті частки відсотка).
* Відносно стійкий стан, з якого тіло або система може перейти в стійкіший
стан під впливом зовнішніх факторів або мимовільно (від грец. теїа — після).
251
Перевагами активних елементів із активованих стекол є висока
оптична однорідність активного матеріалу; малі втрати; техно-
логічність, яка дозволяє виготовляти зразки великих розмірів (їм
і більше); можливість масово виготовляти вироби заданих власти-
востей.
Активоване скло — це один із найдешевших лазерних матеріалів.
Порівняно з кристалами стекла мають такі недоліки:
низьку тепопровідність;
високий температурний коефіцієнт лінійного розширення, що
обмежує верхню межу потужності квантового приладу;
порівняно слабку фотохімічну стійкість;
обмежену область прозорості (0,33...4,5 мкм) ;
велику ширину спектра випромінювання.
Активні елементи із неодимних стекол виготовляють у вигляді
стержнів діаметром до 7 мм і довжиною до 90 мм або жил із пучка
волокон.
Як активний елемент лазерів використовують також ситали, які
займають проміжне місце між монокристалами і стеклами.
Матеріали для рідких лазерів. Ці матеріали мають такі переваги:
лазерні кристали і стекла виготовляються при високий темпера-
турі, тому в них містяться «заморожені» дефекти структури, що
знижують ступінь їх оптичної досконалості. Рідини не мають таких
дефектів;
гранична потужність лазерів залежить від їх розмірів, проте
максимальні розміри монокристалів обмежені, у той час як рідини
дозволяють створювати будь-який об’єм активного середовища;
під час спалаху в твердотілих лазерах великої потужності робо-
че тіло прагне розколотися, а в рідинах цього не виникає;
у рідких структурах відсутні втрати, пов’язані з неоднорідністю
і дефектністю структури активної речовини. Рідкі активні середо-
вища мають постійні оптичні характеристики;
матеріали для рідких оптичних квантових генераторів дешевші
твердотілих і простіші у виготовлені.
Як активні середовища в рідких лазерах використовують розчи-
ни неорганічних рідкоземельиих сполук рідкоземельиих елементів,
розчини дикетопатів рідкоземельиих елементів (європія, тербія) в
органічних розчинниках.
У лазерах з дослідницькою метою використовують розчини дея-
ких органічних барвників (родаміп, кумарин та ін.), набір яких доз-
воляє одержати випромінювання з довжиною хвилі 0,35...1,1 мкм.
Лазери на барвниках виготовляють із змінною частотою випроміню-
вання, що дає можливість використовувати їх у спектроскопії.
Матеріали для газових лазерів. Ці матеріали мають найбільшу
оптичну досконалість, оскільки молекули газу значно слабкіше
взаємодіють одна з одною, ніж у рідинах або в твердих тілах.
252
Газові лазери мають такі переваги порівняно з твердотілими і
рідкими лазерами:
для активізації газу використовують електричне накачування.
Струм, що протікає через газ під час пробою, переводить молекули
у збуджений стан, а потім виникає їх перехід в основний стан, який
супроводжується випромінюванням;
мала густина газового середовища, внаслідок чого енергетичні
рівні в спектрі газів дуже вузькі;
мала густина газового середовища забезпечує високу оптичну
однорідність, пучок світла у газі практично не розсіюється. Тому
випромінювання газових лазерів характеризується високою моно-
хроматичністю і направленістю.
До недоліків газових лазерів відносять неможливість одержан-
ня великих потужностей випромінювання через малу густину газо-
вого активного середовища.
У малопотужних лазерах з високою монохроматичністю ви-
промінювання використовують гази з низькою електричною'
міцністю. Необхідна система енергетичних рівнів досягається в
суміші газів. Так, гелій-неонова суміш, збуджена електричним заря-
дом, випромінює червоне світло з довжиною хвилі 0,63 мкм або
інфрачервоне з довжиною хвилі 1,153 мкм.
При роботі потужних лазерів інфрачервоного діапазону вико-
ристовують коливальні й обертальні переходи молекулярних газів.
Для різання, зварювання, лазерного зміцнення металів виготов-
ляють лазери на вуглекислому газі СОо. їх безперервна потужність
випромінювання на довжині хвилі 10,6 мкм досягає 1000 Вт і вище
при коефіцієнті корисної дії 10...30%.
Газові лазери і мезери використовують для найбільш прецизій-
них вимірювань, наприклад, в еталонах довжини і часу.
5.11.5. Електрооптичні матеріали .// /
’ч/ Ч'м- !<-г
Для ефективного використання оптичного випромінювання
лазерів та інших генераторів світла необхідно керувати цим випро-
мінюванням. Для зміни основних параметрів випромінювання
(амплітуди, частоти, фази, вектора поляризації і керування світло-
вим променем) використовують спеціальні пристрої модулятори*
лазерного випромінювання, які виготовляють з матеріалів, що
мають електрооптичний ефект.
* Модуляція (від латин, тосіиіаіїо — мірність, розмірність) — зміна
якого-нсбудь параметра періодичних коливань високої частоти (ме-
ханічних, електричних та ін.) під дією інших коливань суттєво більш низь-
кої (модулюючої) частоти. Модуляція за видом поділяється на амплітудну,
частотну, фазову, імпульсну, широтну та ін.
Електрооптичний ефект полягає у зміні показників заломлення
діелектрика під дією електричного поля. Залежність показників за-
ломлення від напруженості електричного поля може бути лінійною
і квадратичною.
Отже, електрооптичні матеріали поділяються на .матеріали з
лінійним і квадратичним електрооптичним ефектом.
Для характеристики електрооптичного ефекту використовують
спеціальний параметр — иапівхвильову напругу Ц\/2, що являє со-
бою прикладену напругу, при якій фаза світла, що виходить з крис-
тала, змінюється на 180°. Значення 6гл/? для різних діелектриків мо-
же становити від одиниць до десятків кіловат і залежить від довжи-
ни хвилі світла. Чим менше значення ЬТ\/г, тим простіше за допомо-
гою цього діелектрика керувати параметрами світлового випромі-
нювання.
Матеріали з лінійним електрооптичним ефектом. Лінійний
електрооптичний ефект мають кристали без центра симетрії.
Кристали, що використовуються як модулятори лазерного ви-
промінювання, повинні задовольняти таким вимогам:
оптична однорідність, особливо в робочому діапазоні температур;
мала напівхвильова напруга ІД/2;
виражені електричні характеристики в робочому інтервалі час-
тот і температур;
стійкість проти дії лазерного випромінювання і факторів оточу-
ючого середовища;
технологічність.
У промисловості застосовують дигідрофосфат КН2РО4, дидейте-
рофосфат КБзРО-ь ніобат літію ІлИЬОз, танталат літію ЬіТаОз.
Дигідрофосфат КН2РО4 і дидейтерофосфат КБзРОд вирощують з
розчинів і одержують м’які водорозчинні кристали великих розмірів
і високої оптичної якості. Вони стійкі проти лазерного випроміню-
вання, пропускають і модулюють без ушкодження світлові потоки
щільністю вище 3-Ю12 Вт/м2. Але елементи цих кристалів вимагають
спеціальних запобіжних заходів при експлуатації. Робочі напруги
модуляторів із КОгРОд нижчі, ніж із КН2РО4, але КПзРОд дорожче.
Вирощені з розплавів кристали із ніобат літію ЕіМЬОз і танталат
літію ЬіТаОз порівняно з дпгідрофосфатом КН2РО4 і дидейтерофо-
сфатом ІФ2РО4 більш стійкі проти впливу оточуючого середовища
при експлуатації, потребують менших керуючих напруг. Проте роз-
міри кристалів, що одержують, менші за розмірами і оптично менш
однорідні, що обмежує робочі апертури* пристроїв. Ніобат і танта-
лат літію непрозорі для ультрафіолетових променів і нестійкі проти
лазерного випромінювання.
* Діючі отвори оптичного приладу, що визначаються розмірами лінз
або діафрагмою (від латин, арети> — відкритий).
254
Матеріали з квадратичним електрооптичним ефектом. Квад-
ратичний електрооптичний ефект мають кристали з центром си-
метрії та ізотропні середовища (наприклад, рідини). До таких кри-
сталічних матеріалів відносяться кристали перовскитів. Напівхви-
льова напруга кристалів групи перовскитів значно менша, ніж у
кристалів з лінійним електрооптичним ефектом. Проте застосуван-
ню цих кристалів у системах модуляції і керування випромінюван-
ням перешкоджають технологічні труднощі вирощування оптично
однорідних кристалів. Серед рідин з квадратичним електрооптич-
ним ефектом слід відмітити нітробензол, сірковуглець та ін.
Як електрооптичний матеріал використовують оптично прозору
сегнетоелектрику. Звичайна кераміка непрозора. Якщо для одержання
кераміки використовують гаряче пресування, то можна одержати щіль-
ну, безпористу і прозору як скло, сегнетоелектрику, яка має оптичні
властивості. Таким способом виготовляють оптично прозору сегнето-
електрику системи ЦТСЛ РЬ(2гхТіі - х)Оз + г/ЬатОз, де х показує від-
носний вміст атомів 7г, у — відпоєний вміст молекул оксиду лантану. За-
лежно від складу компонентів у системі ЦТСЛ може спостерігатись лі-
нійний електрооптичний ефект і чітко окреслений квадратичний ефект.
Сегнетооптпчні матеріали ЦТСЛ мають низьку коерцитивну силу і пря-
мокутну петлю гістерезису і тому застосовуються в електрооптичних за-
пам’ятовуючих пристроях. Якщо до зразка прикласти електричне поле,
виникає зміна показника заломлення, яка зберігається і після зняття по-
ля завдяки тому, що в зразку зберігається залишкова поляризація.
Матеріали з динамічним електрооптичним ефектом розсіяння
світла. Динамічний ефект розсіяння світла мають матеріали, у яких
під дією зовнішнього електричного поля безперервно хаотично
змінюється показник заломлення діелектрика. Ці матеріали склада-
ють особливий клас електрооптичних матеріалів, рідкокрис-
талічний стан яких було відкрито в 1888 р.
Рідкокристалічний стан — це термодинамічно стійкий агрегат-
ний стан, при якому речовина знаходиться в проміжковому стані
між твердим кристалом і рідиною та зберігає анізотропію фізичних
властивостей твердих кристалів і текучість рідин. Рідкокрис-
талічний стан існує лише в певному інтервалі температур між точ-
кою кристалізації І точкою перетворення речовини в ізотропну ріди-
ну. При зниженні температури рідкий кристал переходить у твердий
стан, а при підвищенні — перетворюється в ізотропну рідину.
Властивості рідких кристалів подібні до властивостей сегнето-
електриків. Як і сегнетоелектрики, вони розділені на області з одна-
ковими напрямками осей молекул, які називаються доменами. Для
багатьох з них у змінному полі характерні петлі гістерезису з вира-
женим насиченням. У точках фазового переходу діелектрична про-
никність є має хМаксимум, який пропадає з підвищенням частоти як
у дипольних сегнетодіелектриків.
255
Відмінними особливостями рідких кристалів є великий час пе-
реорієнтації диполів порівняно з се гнетодіе доктринами, а також на-
явність петлі гістерезису і максимуму діелектричної проникності є
лише на дуже низьких частотах, менше 1 Гц.
Рідкі кристали утворюються органічними сполуками, молеку-
ли яких мають подовжену паличкоподібну форму. За структурою
рідкі кристали поділяються на нсматичиі, смектичні і холесте-
ричні.
Нематичні рідкі кристали одержали назву від слова «пемос»,
що в перекладі з грецької означає нитка (рис. 5.12, а). Вони мають
такі властивості:
а
б
в
Рис. 5.12. Структури рідких кристалів:
а — нематичних; б — смектичних; в - холестеричних
подовжені моле-
кули мають сильно
витягнуту нитко-
подібну конфігу-
рацію;
в рівноважному
стані молекули орі-
єнтуються переваж-
но вздовж оптичної
осі кристала;
міжмолекулярні сили взаємодіють дуже слабко, що дозволяє
легко змінювати структуру рідкого кристала, орієнтуючи молекули
під впливом зовнішньої дії (темпертури, електричного і магнітного
поля, тиску та ін.);
оптична і електрична анізотропія, тобто значення показника за-
ломлення, діелектричної і магнітної проникності, питомого опору,
в’язкість та інші параметри вздовж великих осей молекули і пер-
пендикулярно йому різні.
Під дією слабкого електричного поля осі молекул з високою
діелектричною проникністю є орієнтуються паралельно полю.
При досягненні напругою електричного поля деякого граничного
значення стійка доменна структура руйнується і виникає комірча-
ста. З’являється гідродинамічна течія. У разі подальшого підви-
щеня напруги течія в рідині стає турбулентною*, а речовина оп-
тично неоднорідною. Прозорий у вихідному стані рідкий кристал
у такому неупорядковому стані стає мутним, як матове скло, і
розсіює світло у всіх напрямках. Після зняття електричного поля
ефект динамічного розсіювання зникає. Поле може бути постій-
ним і змінним з низькою частотою (до 1О2.,.1О4 Гц залежно від ма-
теріалу). Час, за який встановлюється стан динамічної рівноваги,
^Вихровий; турбулентна течія — течія рідини або газу, при якому ви-
никає сильне переміщення рідини, що рухається (на відміну від ламінарної
течії) (від латин. ШгЬиІепіиз — безладний).
256
становить 1...10 мс, а час, за який він зникає після зняття елект-
ричного поля, — 20...200 мс. Час встановлення і зникнення стану
динамічної рівноваги характеризує швидкодію рідкокристалічних
матеріалів. У індивідуальних рідкокристалічних сполуках швид-
кодія вища, ніж у сумішей. Вона підвищується зі збільшенням на-
пруги електричного поля.
Здатність рідких кристалів змінювати інтенсивність світла, що
проходить крізь них, під дією електричного поля використовують у
пристроях оптичної обробки інформації, пристроях відображення
інформації, наприклад, у малогабаритних пристроях з живленням
від батарейок — наручних годинниках, мікрокалькуляторах та ін.
Рідкокристалічна комірка для побудови буквеио-цифрового
індикатора*, в якій використовується ефект динамічної рівноваги,
складається з двох скляних пластинок. На внутрішню поверхню
однієї пластинки наносять тонкий прозорий шар електрода, а на
внутрішню поверхню іншої пластини — тонкий шар дзеркального
електрода. Проміжок між стеклами, який становить приблизно
5...50 мкм, заповнюють рідким кристалом, а за периметром гермети-
зують. При подачі граничної напруги (8...50 В) молекули рідини в
просторі між електродами починають обертатись і розсіювати пада-
юче світло. Крізь прозорий електрод видно яскравий рисунок, нане-
сений у вигляді букв, цифр або інших знаків (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Індикатор
на рідких кристалах:
/ — скляні пластини;
2 — рідкий кристал;
З — прозорий елект-
род; 4 — дзеркальний
електрод
Рідкі кристали мають високий електричний
питомий електричний опір, тому потужність, що
споживається коміркою, не перевищує 1 Вт/м2,
газорозрядні і люмінофорні індикатори спожи-
вають 103 Вт/м2. світлодіоди —- 105 Вт/м2.
Рідкокристалічні індикатори не тільки най-
простіші і найдешевші, але й найекономічніші.
В якості нематичних рідких кристалів викорис-
товують органічні сполуки азометани, складні
ароматичні ефіри, а також їх евтектичні** суміші.
Смектичні рідкі кристали отримали свою
назву від слова «смектос», що в перекладі з
грецької означає мило.
У смектичних рідких кристалах паралельно
орієнтовані молекули упаковані в шари (див.
рис. 5.12, б), тому мають великий ступінь
*Прилад, пристрій, елемент, що відображає хід процесу або стану
об’єкта спостереження, його якісні або кількісні характеристики (напри-
клад, час, витрати рідини, відстань та ін.) (від латин, іпсіісаіог— вказівник).
**Евтектика (від грец. еиґекіох — легкоплавкий) — тонка суміш твер-
дих речовин, що одночасно викристалізовуються із розплаву при темпера-
турі більш низькій, ніж температура плавлення окремих компонентів.
9 «Електро матеріалознавство»
257
упорядкованості. Шарувата упаковка молекул створює анізотропію
не тільки оптичних, але й механічних властивостей, оскільки шари
легко змішуються відносно один одного.
Деякі рідкі кристали можуть знаходитись у нематичній і смек-
тичній фазах. При цьому смектична фаза розміщена за темпера-
турою ближче до твердої фази, ніж нематична. Наприклад, и-гепти-
локсибензойна кислота до температури 92°С являє собою твердий
кристал, в інтервалі температур 92...98°С вона існує як смектичний
рідкий кристал, в інтервалі температур 98..,146°С — як анематич-
ний рідкий кристал, а при температурі вище 146°С переходить в
ізотропну рідину.
Холестеричні рідкі кристали отримали свою назву від слова
«холестерин», що в перекладі з грецької означає жовч.
У холестеричних рідких кристалах пластинчасті молекули та-
кож вкладуються в шари, але вони розміщуються у вигляді просто-
рової спіралі, тому їхня орієнтація плавно змінюється від шару до
шару (див. рис. 5.12, в).
У техніці використовують зміну оптичних властивостей холес-
теричних рідких кристалів при тепловій дії. До них в основному
відносяться сполуки холестеринів, тобто поліциклічних спиртів
рослинного і тваринного походження із групи стеринів*.
/ Контрольні питання
.] І. Які основні електричні властивості діелектриків?
2. Які діелектрики відносяться до органічних?
3. Які властивості мають термопластичні і термореактивні діелектрики?
4. Із чого складаються пластмаси?
5. Які діелектричні матеріали називаються плівковими?
6. Що слугує сировиною для синтетичних каучуків?
7. Які властивості має гума?
8. Чим відрізняються один від одного лаки, емалі і компаунди?
9. Як поділяються флюси за дією на з’єднувальні поверхні?
10. Де використовують стекла , ситали і кераміку?
11. Які переваги і недоліки мінеральних електроізоляційних масел?
12. Чим відрізняються активні діелектрики від звичайних?
* Орган ічні речовини, що містяться у більшості рослин і тварин у
вільному вигляді (ергостерин, холестерин) або у. вигляді складних ефірів з
жирними кислотами (від грец. зіегеоз — твердий).
258
Розділ 6
МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ
Магнітні матеріали мають здатність при внесенні їх у магнітне
поле намагнічуватись, а деякі з них зберігають намагніченість і
після припинення дії магнітного поля.
6.1. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
МАГНІТНИХ МАТЕРІАЛІВ
Магнітні властивості матеріалів характеризуються петлею
гістерезису, кривою намагнічування, магнітною проникністю та
втратами енергії при перемагнічуванні.
Петля гістерезису. При циклічній зміні напруженості постійно-
го магнітного поля від 0 до +Я, від +Н до -Н і знову від -Я до +Н
крива зміни індукції називається петлею гістерезису. Для слабких
полів петля має вигляд еліпса (рис. 6.1). При збільшенні значення
напруженості магнітного поля Я одержують серію заключенпх одна
в одну проміжних петель гістерезису. Коли всі вектори намагніченості
доменів зорієнтуються вздовж напрямку поля, процес намагнічуван-
ня закінчиться станом технічного насичення намагніченості матеріалу.
Петлю гістерезису, одержану за умови насичення намагнічування,
Рис. 6.1. Петлі гістерезису при різних значеннях
напруженості зовнішнього магнітного поля
н аз и в а ют ь гран и ч н о ю
петлею гістерезису. Во-
на характеризується мак-
симально досягнутим
значенням індукції В3,
яке називається індук-
цією насичення. При
зменшенні напруженос-
ті магнітного поля від
+Н до 0 магнітна індук-
ція зберігає залишкову
індукцію Вс. Щоб одер-
жати залишкову маг-
нітну індукцію, яка б
9*
259
дорівнювала нулю, необхідно прикласти протилежно направлене
розмагнічувальне поле певної напруженості -Нс. Негативна напру-
женість магнітного поля Нс називається коерцитивною силою ма-
теріалу. При досягненні напруженості магнітного поля значення Н,
а потім 0 знову виникає залишкова індукція Вс. Якщо підвищити на-
пруженість магнітного поля до +НС, то залишкова магнітна індукція
Вс буде дорівнювати 0.
Площа гістерезисних петель у проміжних і граничних станах
характеризує розсіювання електричної енергії в процесі перемагні-
чування матеріалу. Площа гістерезисної петлі залежить від власти-
востей матеріалу, його розмірів і частоти перемагнічування.
За граничною петлею гістерезису визначають такі характеристики
магнітних матеріалів, як індукція насичення Вс, коерцитивна сида Нс.
Крива намагнічування показує залежність намагніченості або
магнітної індукції матеріалу від напруженості зовнішнього
магнітного поля Н. Магнітна індукція матеріалу В і вимірюється в
теслах (Тл) і зв’язана з намагніченістю М формулою:
$
і
V Ж
А
ЗЩ&1%
$><1
ж
л*»1 .
< 'ЛбЛ'Л
•>,ЧЙЙХ
'Х<йдаї
‘ Ш£'
(61)
ЖІ
НІ
-ЖІ
ж!
її
•ШІ
гЖ1
де ро — магнітна постійна, яка дорівнює 4л-10'7 Гн/м;
М — намагніченість, А-м'1.
Основна (комутаційна) крива намагнічування являє собою гео-
метричне місце вершин петель гістерезису, одержаних при
циклічному перемагнічуванні (див. рис. 6.1) і відображає зміну маг-
нітної індукції В залежно від напруженості магнітного поля Н, яке -Ж
створюється в матеріалі при намагнічуванні. Напруженість магніт- ’Щ
ного поля в зразку у вигляді тороїда, коли магнітне коло замкнуте, О
дорівнює напруженості зовнішнього поля Нз. В розімкненому;
магнітному колі на кінцях зразка з’являються магнітні полюси, які Щ
створюють розмагнічувальне поле Яр. Різниця між магнітними Ж
напруженостями зовнішнього і розмагнічувального полів визначає
внутрішню магнітну напруженість Ні матеріалу. " ’
Основна крива намагнічу
вання (рис. 6.2) має ряд харак ..
терних ділянок, які можна умов- Ц||
но виділити при намагнічуванні Д
монокристалу феромагнетика. 1Щ
Перша ділянка кривої намаг- |||
нічування відповідає процесу
зміщення меж доменів, які Ь •
менш сприятливо орієнтовані. ,|||
На другій ділянці виникає по
ворот векторів намагніченості III
доменів у напрямку зовніш-.
нього магнітного поля. Третя
Рис. 6.2. Залежність магнітної індукції В
від напруженості магнітного поля Н
(основна крива намагнічування)
технічно чисте залізо (99,92% Ее)
.'/І®
ділянка відповідає парапроцесу, тобто завершальному етапу процесу
намагнічування, коли сильне магнітне поле повертає в напрямку
своєї дії незорієнтовані магнітні моменти доменів феромагнітика.
Магнітна проникність. Для характеристики поведінки магнітних
матеріоів у полі з напруженістю Н користуються поняттями абсо-
лютної магнітної проникності і відносної магнітної проникності ц:
Иа - В/Н, (62)
Ц = В/(цоЯ) = Иа/ро, (63)
де ~ абсолютна магнітна проникність, Гн/м;
цо — магнітна постійна, яка дорівнює 1,257 мкГн/м.
Підставляючи в ці співвідношення конкретні значення В І Я,
одержують різні види магнітної проникності, які використовують у
техніці. Найчастіше використовують поняття нормальної ц, почат-
кової Цп, максимальної Цтах, диференціальної Цдиф та імпульсної ці
магнітної проникності. Відносну магнітну проникність матеріалу ц
одержують по основній кривій намагнічування. Для простоти слово
«відносна» не згадується. Магнітну проникність при Я = 0 називають
початковою магнітною проникністю ц. Її значення визначають при
дуже слабких полях (приблизно 0,1 А/м).
Максимум на кривій проникності, що відповідає II ділянці кри-
вої намагнічування (див. рис. 6.2), характеризується значенням
максимальної магнітної проникності Цшах. Початкова і максимальні
магнітні проникності являють собою окремі випадки нормальної
магнітної проникності. їх значення поряд з В&, Вс і Нс є важливими
параметрами магнітного матеріалу. В сильних полях в області наси-
чення магнітна проникність наближається до одиниці.
Втрати енергії при перемагнічуванні. Це невідновні втрати
електричної енергії, яка виділяється у матеріалі у вигляді теплоти.
Втрати на перемагнічування магнітного матеріалу складаються з
втрат на гістерезис і динамічних втрат.
Втрати на гістерезис створюються в процесі зміщення стінок до-
менів на початковій стадії намагнічування. Внаслідок неоднорідності
структури магнітного матеріалу на переміщення стінок доменів за-
трачається магнітна енергія. Втрати енергії на гістерезис:
Рг = я/, (64)
де а — коефіцієнт, який залежить від властивостей і об’єму матеріалу;
/ — частота струму, Гц.
Динамічні втрати Рвт викликаються частково вихровими стру-
мами, які виникають при зміні напрямку і напруженості магнітного
поля; вони також розсіюють енергію:
Рвт - б/2, (65)
де Ь - коефіцієнт, який залежить від питомого електричного опору, об’єму
і геометричних розмірів зразка.
261
Жі!Й^
260
Втрати на вихрові струми через квадратичну залежность від час-
тоти поля перевищують втрати на гістерезис на високих частотах.
До динамічних втрат відносять також втрати на післядію Рп, які
пов’язані Із залишковою зміною магнітного стану після зміни на-
пруженості магнітного поля. Вони залежать від складу і термічної
обробки магнітного матеріалу і проявляються на високих частотах.
Втрати на післядію (магнітну в’язкість) необхідно враховувати при
використанні феромагнетиків в імпульсному режимі.
Загальні втрати у магнітному матеріалі:
у
(66)
6.2. КЛАСИФІКАЦІЯ МАГНІТНИХ МАТЕРІАЛІВ
ц
Електрорадіоматеріали, які використовуються в техніці з ураху-
ванням їх магнітних властивостей, розподіляють на магнітом’які і
магнітотверді. ЦІ терміни не відносяться до механічних властивос-
тей матеріалу, оскільки деякі механічні тверді матеріали є магніто-
м’ягкими, а механічно м’які матеріали можуть відноситись до магні-
тотвердих. Підставою для розподілення магнітних матеріалів на
магнітом’які і магніт от верді є такі особливості. Процеси намагнічу-
вання матеріалів обох груп протікають однаково: на першому етапі
виникає зміщення меж доменів, на другому -- обертання магнітних
доменів у напрямку намагнічувального поля, на третьому — пара?
процес. Згідно з кривою намагнічування зміщення меж доменів;
вимагає менших енергетичних витрат, ніж процеси обертання
магнітних моментів і пара процес. У магнітом’яких матеріалах на-
магнічування виникає, в основному, за рахунок зміщення меж
доменів. Магнітотверді матеріали намагнічуються переважно за
рахунок обертання векторів намагнічування і парапроцесу.
Форма петлі гістерезису обох груп матеріалів (рис. 6.3), індукція
насичення і залишкова індукція Ве приблизно однакові, проте
різниця в коерцитивній силі Нс досягає дуже великих значень. Так,
Ж
Жу
їй
ЖМ,
б
Рис. 6.3. Петлі гістерезису:
а, б — магнітом’яких матеріалів (округла петля);
в— магнітом’яких матеріалів (прямокутна петля);
г — магнітотвердих матеріалів
для магнітотвердих ма-
теріалів найбільша коерци-
тивна сила Нс = 800 кА/м, а
для магнітом’яких матеріа-
лів найменша коерцитивна
сила Нс =0,4 А/м, тобто різ-'
ниця становить 2-Ю6 разів. •
Виходячи з різниці в
коерцитивній силі умовно
прийнято розподілення на
магнітом’які і магнітотверді
матеріали.
Ж'Ж.
жі
ШІ
'Ж»
жі
Ж,
Ж
жф
жі
ґЇЖ'А
«І
ЛІ
'Ж
Магнітом’які матеріали мають мале значення коерцитив-
ної сили Не, тому здатні намагнічуватись до насичення навіть у
слабких магнітних полях. Вони мають такі властивості:
вузька петля гістерезису невеликої площини при високих
значеннях індукції та невеликій коерцитивній силі Нс< 4 кА/м
(див. рис. 6.3, а, б, в);
однорідність структури;
мінімальне механічне напруження;
мінімальна кількість домішок і включень;
незначна кристалографічна анізотропія.
Магнітом’які матеріали з округлою петлею гістрезису застосо-
вують для роботи в низькочастотних магнітних полях. Магнітні ма-
теріали з прямокутною петлею гістерезису використовують для ви-
готовлення пристроїв магнітної пам’яті.
Магнітотверді матеріали мають великі значення коерцитив-
ної сили Не, важко намагнічуються, але здатні тривалий час зберігати
намагніченість. Вони мають широку петлю гістерезису з великою
коерцитивною силою Нс >4 кА/м (рис. 6.3, г) і наявність одно домен-
них структур, які виникають у невеликих об’ємах магнітної речовини.
Магнітотверді матеріали застосовують для виготовлення
постійних магнітів.
Особливу групу складають матеріали особливого при-
значення, які мають порівняно вузьку область використання.
6.3. МАГНІТОТВЕРДІ МАТЕРІАЛИ
До магнітотвердих матеріалів відносять магнітні матеріали з
широкою петлею гістерезису і великою коерцитивною СИЛОЮ Не
(рис. 6.3, г).
Основними характеристиками магнітотвердих матеріалів є ко-
ерцитивна сила Не, залишкова індукція Вс і максимальна питома
магнітна енергія, яка віддається в зовнішній простір сотах.
Магнітна проникність р магнітотвердих матеріалів значно мен-
ша, ніж у магнітом’яких. Чим «твердіший» магнітний матеріал
(тобто чим вище коерцитивна сила Не), тим менша його магнітна
проникність.
Вплив температури на величину залишкової магнітної індукції
Вг, яка відповідає максимальному значенню для даного матеріалу
Втах, оцінюється температурним коефіцієнтом залишкової
магнітної індукції, КФ
(Вг)2 - (Вг'),
(67)
де (Вг)і і (Вг)2 “ значення залишкової індукції матеріалу при температу-
рах Ті І Тз відповідно.
263
і
І
Максимальна питома магнітна енергія соШах — найважливіший
параметр при оцінці якості магнітотвердих матеріалів.
Максимальна питома магнітна енергія, Дж/м2:
СОтах = (ВЯ)тах/2. (68)
Постійний магніт при замкнутому маги і топ ров од і практично не
віддає енергію у навколишнє середовище, оскільки практично всі
магнітні силові лінії замикаються всередині осердя, і магнітне поле
ззовні осердя відсутнє. Для використання магнітної енергії по-
стійних магнітів у замкненому магнітопроводі створюють повітря-
ний зазор певних розмірів і конфігурації, магнітне поле в якому ви-
користовують для технічних потреб.
Магнітний потік постійного магніту протягом часу змен-
шується. Це явище називається старінням магніту, воно може бути
зворотним і незворотиим.
У випадку зворотного старіння при дії на постійний магніт
ударів, поштовхів, різких коливань температури, зовнішніх
постійних полів виникає зниження його залишкової магнітної
індукції Вг на при повторному намагнічуванні властивості та-
ких магнітів відновлюються.
Якщо з часом у постійному магніті виникли структурні зміни,
то повторне намагнічування не припиняє незворотне старіння.
За призначенням магнітотверді матеріали поділяються на ма-
теріали для постійних магнітів і матеріали для запису і зберігання
інформації (звукової, цифрової, відеоінформації та ін.).
За складом і способом одержання магнітотверді матеріали
поділяються налиті, порошкові та ін.
Литі матеріали на основі сплавів. Основою цих матеріалів є
сплави залізо—нікель—алюміній (Ре—N1—А1) і залізо—нікель—ко-
бальт (Ее—Мі—Со). Ці сплави є основними матеріалами для виго-
товлення постійних магнітів. їх відносять до прецизійних, оскільки
їх якість на вирішальній стадії визначається суворим дотриманням
технологічних факторів.
Магнітотверді литі матеріали одержують у результаті дис-
персійного твердіння сплаву при його охолодженні з певною
швидкістю віл температури плавлення до температури початку роз-
кладання. В процесі твердіння виникає високотемпературний роз-
пад твердого розчину на р-фазу і р2-фазу. р-фаза близька за скла-
дом до чистого заліза, яке має сильно виражені магнітні власти-
вості. Вона виділяється у вигляді пластинок о дно доменної товщи-
ни. рз-фаза близька за складом до інтерметалевої сполуки нікель-
алюміній (N1—А1), що має низькі магнітні властивості.
В результаті одержують систему, яка складається із немагнітної
фази рг з однодоменпми сильномагнітними включеними фази р,
яка має велику коерцитивну силу Яс. Такі сплави не застосовуються
264
через порівняно низькі магнітні властивості. Найпоширенішими є
сплави залізо—нікель—алюміній, леговані міддю Си і кобальтом Со.
Марки цих матеріалів містять букви Ю і Н , що вказує на на-
явність у них алюмінію і нікелю. При використанні легуючих ме-
талів у позначення марок вводять додаткові букви, які відповіда-
ють цим матеріалам, наприклад, сплав системи залізо-нікель-
алюміній, легований кобальтом, марки ЮНДК.
Без кобальтові сплави мають відносно низькі магнітні
властивості, але вони найдешевші.
Кобальтові сплави використовують для виготовлення ви-
робів, які вимагають матеріалів з відносно високими магнітними
власт и вос тя мі [ і маги ітною ізотропніст ю.
Висококобальтові сплави — це сплави з магнітною або
з магнітною і кристалічною структурою, які містять понад 15%
кобальту.
Сплави з магнітною структурою одержують в результаті охоло-
дження сплаву у магнітному полі з напруженістю 160...280 кА/м від
високих температур 1250...1300°С до температури приблизно
500°С. Одержаний сплав має кращі магнітні характеристики лише
у напрямку дії поля, тобто матеріал стає магштоанізотропним.
Для сплавів, які містять 12% кобальту, термомагнітна обробка
збільшує магнітну енергію приблизно па 20%, а для сплавів, які
містять 20...25% кобальту, — на 80% і більше.
Термомагнітна обробка підвищує температуру початку дисперс-
ного розпаду з 950°С у сплаві без кобальту до 800°С у сплаві, що
містить 24% кобальту.
В результаті термомагнітної обробки у висококобальтових
сплавів підвищується також температура точки Кюрі з 730 до
850°С.
Кристалічну структуру одержують у процесі охолодження
сплавів за особливих умов. У результаті одержують магніти з особ-
ливою макроструктурою у вигляді стовбчастих кристалів, орієнто-
ваних у напрямку легкого намагнічування. Це підвищує магнітні
властивості сплавів. Магнітна енергія підвищується на 60...70%.
Збільшуються також коерцитивна сила Нс, залишкова магнітна
індукція Вг і коефіцієнт випуклості кривої розмагнічування ма-
теріалу:
(Д^Отах
ад '
(69)
Висококобальтові текстуровані сплави застосовують для виго-
товлення малогабаритних магнітних виробів, що вимагають висо-
ких магнітних властивостей і магнітної анізотропії.
Недоліками висококобальтових матеріалів є висока твердість і
крихкість, що значно ускладнює їхню механічну обробку.
265
Порошкові магнітотверді матеріали (постійні магніти). По-
рошкові магнітотверді матеріали застосовують для виготовлення
мініатюрних постійних магнітів складної форми. їх поділяють на
металокерамічні, метало пластин ні, оксидні і мікропорошкові.
Металокерамічні магніти за магнітними властивостями .
поступаються лише литим магнітам, але дорожче їх. -
Одержують металокерамічні магніти в результаті пресування '
металевих порошків без в'яжучого матеріалу і спікання їх при висо- -
ких температурах. Для порошків використовують сплави ЮНДК
(сплав системи Ре—N1—АІ, легований кобальтом); на основі плати-
ни (РТ—Со, Рї—Ре); на основі рідкоземельних металів.
Металокерамічні магніти на основі сплавів ЮНДК мають
магнітні властивості за параметрами В, і сотах на 10...20% нижче; ніж
у литих магнітів, завдяки підвищеній пористості спеченого порош-
кового матеріалу до 5%; за механічною міцністю в 3...6 разів перева-
жають литі.
Магніти на основі платинових сплавів мають високі значення
коерцитивної сили Нс, які у 1,5...2 рази вище РІС барієвих магнітів;
високу стабільність параметрів; за максимальною питомою -
магнітною енергією «шах порівняльні зі сплавами ЮНДК 24.
Сплави на основі рідкоземельних металів (РЗМ) і урану при
визначених співвідношеннях компонентів мають дуже високі зна- '
чення коерцитивної сили Ріс (граничне теоретичне значення дорів-
нює 1032 кА/м) І рекордні значення максимальної питомої магнітної
енергії сощах (граничне теоретичне значення досягає 112 кДж/м3).
Серед сплавів на основі рідкоземельних металів найбільше зна-
чення мають інтерметалічні сполуки тилу К.С05, де К. -- рідкозе-
мельний метал. У марці сполук буква К означає кобальт, С — са-
марій, П — празеодим.
Сплави на основі рідкоземельних металів одержують холодним
пресуванням порошку сплаву КС05 до високого ступеня густини,
спіканням брикетів із порошку в присутності рідкої фази і литтям ба-
гатокомпонентних сплавів, в яких кобальт замінений міддю І залізом.
Металопласти ч ні магніти мають знижені магнітні влас- '
тивості порівняно з литими магнітами, але вони мають великий
електричний опір, малу густину і меншу вартість.
Одержують металопластичні магніти, як і металокерамічні, із
металевих порошків, які пресують разом з ізольованою в’яжучою і
нагрівають до невисоких температур, необхідних для полімеризації
в’яжучої речовини.
Оксидним и магнітами є магніти на основі феритів барію .
ВО-6Ге2Оз і кобальту СоО-ГезОз.
Барієві магніти мають такі властивості:
значення залишкової магнітної індукції Вг в 2...4 рази менше,
ніж у литих магнітів;
266
велика коерцитивна сила Яс, що надає їм підвищеної
стабільності при впливі зовнішніх магнітних полів, ударів і по-
штовхів;
густина 7? приблизно в 1,5 разу менша густини сплавів типу
ЮНДК, що суттєво знижує масу магнітних систем;
питомий електричний опір р (104...107 Ом-м) в мільйони разів
вищий, ніж опір магтптотвердпх сплавів, тому ферити барію вико-
ристовують у колах, що піддаються впливу високочастотних полів;
не містить дефіцитних і дорогих металів, за вартістю барієві
магніти приблизно в 10 разів дешевші магнітів із сплавів ЮНДК.
До недоліків барієвих магнітів відносять:
слабкі механічні властивості (висока крихкість і твердість);
велику залежність магнітних властивостей від температури
(температурний коефіцієнт залишкової магнітної індукції ТКВг в
10 більше, ніж ТКВг литих магнітів);
ефект невідновної втрати магнітних властивостей після охолод-
ження магніту до температури — 60°С і нижче (після охолодження і
подальшого нагрівання до початкової температури магнітні власти-
вості не відновлюються).
На відміну від технології виготовлення магнітом’яких феритів
після другого сухого помелу для кращого подрібнення частинок
вихідної сировини викопують мокрий помел. Одержану масу від-
стоюють, заливають у прес-форми і пресують у магнітному полі при
повільному збільшенні тиску і одночасному відкачуванні води.
Після пресування вироби розмагнічують, для чого вмикають і ви-
микають струм, який має зворотний порівняно з иамагнічувальним
струмом напрямок.
Крім мокрого для виготовлення барієвих магнітів застосовують
також сухе пресування.
Промисловість випускає барієві ізотропні і барієві анізотропні
магніти.
Кобальтові магніти мають такі властивості:
більш висока стабільність параметрів ніж у барієвих;
температурний гістерезис, тобто залежність магнітних власти-
востей від температури, який проявляється не в області низьких
температур, як у барієвих магнітів, а при нагріванні до температу-
ри вище 80°С;
через велику крихкість і низьку механічну міцність їх часто
кріплять за допомогою клею;
висока вартість.
Технологія виготовлення кобальтових магнітів відрізняється
від технології одержання барієвих феритів операцією термо-
магнітної обробки, яка складається з нагрівання спечених магнітів
до температури 300...350°С протягом 1,5 год і охолодження в
магнітному полі протягом 2 год.
267
Магніти із м і к р о п о р о ш к і в Мп—Ві одержують пресуван-
ням спеціально підготовленого мікропорошку. Для цього марган-
цевовісмутовий сплав (23% Мп; 77% Ві) піддають механічному
дробленню до одержання частинок однодомених розмірів (5...8 мкм).
Пропускаючи порошок через магнітний сепаратор, відділяють феро-
магнітну фазу Мп—Ві від немагнітних частинок марганцю і вісмуту
В результаті пресування мікропорошку феромагнітної фази при
температурі приблизно 300°С у магнітному полі одержують магніти,
які складаються з окремих частинок з однаковою орієнтацією осей
легкого намагнічування; зберігають магнітні властивості тільки до
температури не нижче 20°С (при зниженні температури властивості
швидко погіршуються і для їх відновлення необхідне повторне на-
магнічування), що суттєво обмежує галузь їх застосування.
Залізні і залізокобальтові магніти із мікропорошків Ее і Ее—Со
виготовляють з використанням хімічних способів одержання час-
тинок потрібного розміру (0,01...0,1). Із одержаного порошку
магніти пресують і просочують розчином смол. Просочення підви-
щує корозійну стійкість залізомісткпх магнітів.
Інші магнітотверді матеріали. До цієї групи відносять матеріа-
ли, які мають вузькоспеціальне призначення: пластично деформо-
вані сплави, еластичні магніти, матеріали для магнітних носіїв
інформації, рідкі магніти.
П л а с т и ч н о деформовані сплав и мають виражені
пластичні властивості; добре піддаються всім видам механічної об-
робки (добре штампуються, ріжуться ножицями, оброблюються на
всіх металорізальних верстатах); мають високу вартість.
Куніфе — мідь—нікель—залізо (Си—Ні—Ре) мають анізотроп-
ність (намагнічуються у напрямку прокатки).
Використовують у вигляді дроту невеликого діаметру і штам-
повок.
Вікаллой — кобальт—ванадій (Со—V) одержують у вигляді ви-
сокоміцної магнітної стрічки та дроту. З нього виготовляють дуже
дрібні магніти складної конфігурації.
Е л а с т и ч ні магніт и — це магніти на гумовій основі з на-
повнювачем із дрібного порошку магнітотвердого матеріалу. Як
магнітотвердий матеріал найчастіше використовують ферит барію.
Такі магніти дозволяють одержувати вироби будь-якої форми, яку
допускає технологія виготовлення деталей із гуми; має високу тех-
нологічність (легко ріжуться ножицями, штампуються, згинаються,
скручуються) і невисоку вартість.
«Магнітну гуму» застосовують як листи магнітної пам’яті для
ЕОМ, для відхиляючих систем у телебаченні, коригувальних систем.
Магнітні носії інформації при переміщуванні ство-
рюють у пристроях зчитування інформації змінне магнітне поле,
яке змінюється з часом так само, як і сигнал, що записується.
268
Магнітні матеріали для носіїв інформації повинні відповідати
таким вимогам:
висока залишкова магнітна індукція Вг для підвищення рівня
сигналу, що зчитується;
для зменшення ефекту саморозмагнічування, що призводить до
втрати записаної інформації, значення коерцитивної сили Нс по-
винно бути якомога вищим;
для полегшення стирання запису бажана мала величина коер-
цитивної сили Нс, що вступає в протиріччя з попередньою вимогою;
великі значення коефіцієнта випуклості /Свші - (ВН)тах/ВгЯс,
що задовольняє поєднання вимог високої залишкової магнітної
індукції Вг і мінімальні чутливості до саморозмагнічування;
висока температурна і тимчасова стабільність магнітних власти-
востей.
Матеріали для магнітних носіїв інформації — це металеві стріч-
ки і дроти із магнітотвердих матеріалів, суцільні металеві, біметалеві
або пластмасові стрічки і магнітні порошки, які наносяться на
стрічки, металеві диски і барабани, магнітна гума тощо.
Суцільні металеві стрічки і дріт з вікаллІю використовують при
роботі в широкому температурному діапазоні в особливих умовах.
Дріт з нержавіючої сталі товщиною 0,1 мм має коерцитивну силу
Яс = 32 кА/м, залишкову індукцію Вг~ 0,7 Т І зусилля розриву 15 1-І.
Основними недоліками даного типу матеріалів є труднощі мон-
тажу запису, швидке спрацювання записуючих і відновлювальних
пристроїв і висока вартість.
Властивості стрічок, дисків і барабанів з покриттям магнітними
порошками залежать від:
властивостей вихідних матеріалів (залишкова намагніченість
порошку повинна бути по можливості більш високою);
ступеня подрібнення частинок (розміри частинок коливаються
від часток мікрону до одиниць мікрометрів);
об’ємної густини магнітного матеріалу в робочому шарі;
орієнтації частинок з анізотропією форми;
товщини робочого шару порошку (він повинен бути максималь-
но тонким);
властивості металевої стрічки (вона повинна бути гладкою і
гнучкою для забезпечення максимального магнітного контакту між
стрічкою і пристроями зчитування).
Незважаючи на те, що стрічки на пластмасовій основі забезпе-
чують менший сигнал порівняно з стрічками на металевій основі,
вони мають найбільше поширення. Як основу для таких стрічок
використовують ацетил целюлозну або лавсанову стрічку товщи-
ною 20...50 мкм, яку виготовляють гнучкою і гладкою, оскільки
шорсткість може бути причиною шумів під час запису і відтво-
рення сигналу.
269
Як магнітні порошки використовують оксиди заліза ГезОз /і
Ее3О4, магнітотверді ферити, залізонікельалюмінієві сплави, які/є
доступними і дешевими матеріалами.
Рідкі магніти — це рідини, наповнені найдрібнішими ча-
стинками магнітотвердого матеріалу. Рідкі магніти па кремяіпор-
ганічній основі не розшаровуються під дією навіть сильних маг-
нітних полів, зберігають працездатність у діапазоні температур від
-70до+150°С.
6.4. МАГНІТОМ’ЯКІ МАТЕРІАЛИ
Основний вид втрат у магнітних матеріалах — це втрати на вих-
рові струми, які для листового зразка пропорційні квадрату часто-
ти перемагнічування. Це явище пов’язано з магнітним поверхневим
ефектом, сутність якого така. В магнітом’якому матеріалі магнітне
поле витісняється у поверхневі шарп листа і магнітна індукція роз-
поділяється в перерізі листа так, що центральна частіша намагні-
чується слабше, ніж поверхневі шари. При цьому магнітна індукція
знижується тим більше, чим вища частота перемагнічування.
Для зменшення втрат на вихрові струми необхідно знижувати
товщину окремих листів магнітного матеріалу, оскільки при змен-
шенні товщини листа магнітний поверхневий ефект проявляється
слабкіше; застосовувати магнітні матеріали з підвищеним питомим
електричним опором р (чим він більший, тим на більш високих ча-
стотах можна використовувати матеріал).
Виходячи з цих особливостей, магнітом’які матеріали ділять на
матеріали для постійних і низькочастотних магнітних полів і ма-
теріали для високочастотних полів.
6.4.1. Магнітом’які матеріали
для низькочастотних магнітних полів
У постійних і низькочастотних магнітних полях (на частотах до
одиниць кілогерц) застосовують металеві магнітом’які матеріали:
технічно чисте, електролітичне і карбонільне залізо, низьковугле-
цеву електротехнічну сталь, кременисту електротехнічну сталь,
пермалої (залізонікелеві сплави).
Магнітом’які матеріали повинні мати такі властивості:
малу коерцитивну силу Яс;
високу магнітну проникність ц;
малі втрати на перемагнічування для одержання максимальних
значень магнітної індукції матеріалу;
високу пластичність, що забезпечує якісну вирубку пластин для
магніт опроводу;
270
малі коливання товщини матеріалу;
відсутність окалини, бугрів, вм’ятин, що дозволяє підвищити
коефіцієнт заповнення і відповідно зменшити розміри виробів;
незалежність магнітних властивостей від механічних напру-
жень, прикладених до магнітопроводу, що дозволяє прикладати ве-
ликі зусилля стиску, обтиску без погіршення його параметрів.
Технічно чисте залізо містить менше 0,05% домішок при
мінімальній кількості інших домішок. Воно має найвище значення
індукції насичення із всіх феромагнітних матеріалів, низький пи-
томий електричний опір р, тому його використовують для виготов-
лення виробів, які працюють у постійних магнітних полях. Коерци-
тивна сила Нс і магнітна проникність ц змінюються в широких ме-
жах. Це залізо технологічне, добре оброблюється на всіх мета-
лорізальних верстатах, має низьку вартість.
Властивості заліза, отриманого в лабораторних умовах, в
100...200 разів вищі властивостей технічно чистого заліза, що
пов’язано з наявністю домішок, які важко видаляються. До най-
шкідливіших домішок відносять вуглець, кисень і сірку.
На магнітні властивості заліза, крім хімічного складу, впливає
його структура, особливо розміри зерна. На межі зерен виникає ви-
кривлення кристалічної гратки. Особливо легко виділяються фази,
що містять вуглець, тому, чим крупніше зерно, тим вищі магнітні
властивості. Для укрупнення зерен залізо піддають термообробці
(випалу).
Технічно чисте залізо використовують як шихтовий матеріал
для одержання практично всіх феромагнітних сплавів. Широко за-
стосовують також електролітичне і карбонільне залізо.
Електролітичне залізо одержують у результаті електролізу
РеЗОд або РеСІ2. Осаджене на катоді залізо після ретельного про-
мивання і подрібнення в кульових млинах містить велику кіль-
кість водню, тому не має високих магнітних властивостей. Після
переплавлення у вакуумі і багаторазових випалів його властивості
суттєво покращуються. В результаті такої обробки одержують
електролітичне залізо, яке містить меншу кількість домішок, ніж
чисте залізо, тому воно має більш високі магнітні властивості:
коерцитивна сила Нс = ЗО А/м, максимальна магнітна проник-
ність Цтах = 15000.
Через високу вартість електролітичне залізо використовують
рідко,
Карбонільне залізо одержують у результаті розкладання пента-
карбонілу заліза Ре (СО)5. За різних умов розкладання одержують
порошкоподібне або губчасте залізо. В результаті термічної оброб-
ки у водні залізо набуває високих магнітних властивостей.
Використовують карбонільне залізо як феромагнітну фазу
магнітодіелектриків.
271
Властивості заліза покращують введенням присадок. При цьо/
му одержують різні марки сталей. Застосовують два основині
різновиди магнітом’яких електротехнічних сталей: низьковуглецеві
і кременисті.
Низьковуглецева електротехнічна сталь постачається в невипа-
леиому стані з невисокими магнітними властивостями. Таку сталь
піддають термообробці, в процесі якої її повільно нагрівають до
температури 900°С, витримують протягом 2...4 годин та повільно
охолоджують зі швидкістю не більше ЗО...40 градусів за годину до
температури 600°С. Процес ведуть або в захисному середовищі,
щоб запобігти окис не нию металу, або в активному середовищі
(суміш азоту з воднем), яке забезпечує додаткове очищення сталей
від домішок. У результаті термообробки зменшується кількість зе-
рен в одиниці об’єму (збільшуються розміри окремих кристалічних
зерен), що покращує магнітні властивості сталей.
Термічно оброблені сталі мають коерцитивну силу Не = Є4...96 А/м,
максимальну магнітну проникність ріпах = 3500...4500 і вміст вуг-
лецю 0,1%.
Кременисті електротехнічні сталі — це тверді розчини кремнію
в залізі. Легування кремнієм використовують як один із способів
зниження втрат на вихрові струми в листах низьковуглецевої сталі
за рахунок підвищення питомого електричного опору р.
Питомий електричний опір і густина кременистих електро-
технічних сталей залежить від вмісту кремнію (табл. 6.1).
Таблиця 6.1
Питомий електричний опір і густина кременистих
електротехнічних сталей
Параметр Е1 Е2 ЕЗ ' Е4
Ступінь легування сталі Слабко- Середньо- Підвищено- Високо-
кремнієм легована легована легована легована
Вміст кремнію, % 0,8-1,8 1,8-2,8 2,8-3,8 3,8-4,8
Питомий електричний опір р.мкО.м-м 0,25 0,40 0,50 0,60
Густина Д Мг/м^ 7,80 7,75 7,65 7,75
У результаті легування кремнієм у низьковуглецевих сталей по-
кращується склад внаслідок того, що кремній зв’язує частину роз-
чинених у металі газів і в першу чергу кисень; знижується магніто-
стрикція, тобто залежність магнітних властивостей від механічних
напружень; збільшується магнітна проникність р; знижується коер-
цитивна сила Не і втрати на перемагнічування; при вмісті кремнію
вище 5% знижується індукція насичення і погіршуються механічні
властивості (підвищується твердість і крихкість).
272
Для покращення властивостей кременистих електротехнічних
сталей необхідно ретельно очищувати їх від домішок, зневуглецьо-
вуватп і піддавати особливій термообробці. Але застосування цих
методів не дозволяє суттєво поліпшити магнітні властивості цих
сталей.
Більш суттєвого покрашення магнітних властивостей кремени-
стих електротехнічних сталей досягають створенням у матеріалі
магнітної текстури. За відсутності текстури спостерігається хаотич-
не розміщення кристалів у сплаві, том)7 сплав має ізотропні власти-
вості зі статично постійною середньою намагніченістю в будь-яко-
му напрямку. Для створення магнітної текстури сталь піддають хо-
лодній прокатці. В результаті більшість зерен сплаву орієнтуються
легким намагнічуванням вздовж прокату, тобто сплав тексту-
рується. Таку текстуру називають текстурою прокатки. Холодно-
катана сталь стає магнітно-анізотропною. Деформація в холодному
стані призводить до появи великих внутрішніх напружень, що вик-
ликає підвищення коерцитивної сили Нс. Ці напруження знімають
випалом.
Використання текстурованої сталі у трансе форматорах різного
призначення дозволяє знижувати їх масу і розміри на 20...40%.
Гарячекатані сталі на відміну від холоднокатаних не мають
магнітної текстури, тобто магнітно-ізотропні. Проте незначне упо-
рядкування зерен і пов’язана з цим анізотропія властивостей спос-
терігається і при гарячому прокату.
Термообробку кременистих сталей проводять аналогічно термо-
обробці низьковуглецевих сталей (технічно чистого заліза). Проте
при виготовленні магнітол ро воді в із кременистих текстурованих
сталей необхідно враховувати анізотропію магнітних властивостей,
оскільки кращі магнітні властивості лист має у напрямку прокату-
вання, а гірші — під кутом 55° до напрямку прокату.
Марку сталі позначають буквою «Е» і цифрами після неї. Циф-
рами позначають ступінь легування і гарантовані електромагнітні
властивості сталі.
Листи і рулони сталі поставляються замовнику у випаленому
стані. Проте допускається поставка сталі в негартованому вигляді
(без випалу). В цьому випадку до позначення марки сталі додають
букву «Т»>.
Пермалої —• це сплави заліза з нікелем Ее—N1 або заліза з ніке-
лем і кобальтом Ее—N1—Со, в основному леговані молібденом, хро-
мом та іншими елементами. До специфічних властивостей перма-
лоїв відносять:
високе значення початкової магнітної проникності в слабких
полях (у 10...20 разів вище, ніж у сталі); згинання пластини товщи-
ною 0,1...0,3 мм під кутом 90° знижує початкову магнітну про-
никність у 2 рази;
273
/
£
велику чутливість до деформацій, особливо якщо при цьому ви-
никає наклеп (пластина, яка піддавалась сильному наклепу, втрачає
свої переваги щодо магнітних властивостей порівняно з іншими
магнітом'якими матеріалами).
Без термічної обробки магнітна проникність у пермалоїв менша,
ніж у чистого заліза; при змінному струмі магнітна проникність ц
падає більшою мірою, ніж у електротехнічних сталей.
Всі залізонікелеві сплави поставляють у вигляді гарячекатаних
листів, прутків і холоднокатаних стрічок товщиною від 2,5 мм до
декількох мікрометрів тільки у невипаленому вигляді. Термооброб-
ку виконують при температурі 1ООО...12ОО°С. При цьому гаранто-
вані магнітні властивості одержують при чіткому контролі темпера-
турного режиму випалу.
Випалені вироби повинні бути світлими, вільними від оксидів,
темних плям, кольорів мінливості. Вироби, які пройшли термооб- «
робку, необхідно оберігати від ударів, згинів, рихтування, сильного
стискування обмоткою.
Залежно від вмісту нікелю пермалої поділять на низько- і висо-
кою келеві.
До низькоюкелевих відносять пермалої з вмістом нікелю
40...50%. Низьконікелеві сплави в магнітних колах використовують
частіше, ніж високонікелеві. Вони мають більшу пластичність, ніж
високонікелеві.
Низьконікелеві пермалої використовують як магнітний мате-
ріал для виробів, які працюють у змінних магнітних полях, особли-
во при підвищених частотах.
До високо нікелевих відносять пермалої з вмістом нікелю
70...80%. Високонікелеві сплави мають такі властивості:
мала кристалографічна анізотропія;
мала магнітострикція, тобто залежність магнітних властивостей
від механічних напружень;
магнітна проникність ц у декілька разів більша, ніж у низь-
конікелевих, і в декілька разів більша, ніж у електротехнічних
сталей;
індукція насичення Д- приблизно у 2 рази менша, ніж у електро-
технічних сталей, і в 1,5 разу менша, ніж у низьконікелевих;
питомий електричний опір р приблизно в 2 рази менший, ніж у
низьконікелевих;
термічна обробка складніша, ніж у низьконікелевих;
дорожче низьконікелевих через вміст нікелю;
магнітні властивості значно сильніше залежать від механічних
напружень, частоти і складу сплаву, ніж у низьконікелевих сталей.
Високонікелеві пермалої використовуються як магнітний ма-
теріал для осердь потужних силових трансформаторів та інших
пристроїв, для яких важливо створення великого магнітного потоку.
274
6.4.2. Магнітом’які матеріали для високочастотних
магнітних полів
При підвищенні частоти перемагнічування до десятків мегагерц
(діапазон високих частот) втрати на вихрові струми у
магніт ом яких сплавів зростають настільки, що їх використання
стає неефективним. Втрати на вихрові струми знижують зменшен-
ням магнітної індукції і підвищенням питомого електричного опо-
ру. Малі значення магнітної індукції В і високі значення питомого
електричного опору р мають неметалеві магнітні матеріали: маг-
нітом’які ферити і магнітодіелектрики.
М а г н і т о м ’ я к і ферити— цс магнітна кераміка, яку одер-
жують спіканням оксиду заліза Ре?Оз з оксидами металів.
Серед магпітом’яких матеріалів найпоширенішими є ті, які
мають кубічну структуру, подібну мінералу шпінелі М£-А1?Оз.
В проміжках між іонами кисню їх кристалічних ґраток розміщують-
ся іони відповідного металу. За фізичною природою вони є напів-
провідниками з питомим електричним опором до 10і6 Ом м.
Ферити мають низьку індукцію насичення (Вт - 0,2...0,5 Т), то-
му їх використовують тільки в області слабких струмів.
Основними характеристиками магнітом’якпх феритів є індук-
ція насичення Вх, магнітна проникність ц, тангенс кута діелектрич-
них втрат критична частота /Кр, температурний коефіцієнт
магнітної проникності сщ, коефіцієнт стабільності /ф.
Індукція насичення феритів Вя становить 0,1,..0,4 Т, що значно
нижче , ніж у магнітом’якпх матеріалах. Проте у високочастотних
полях індукція насичення у феритів вища, ніж у сплавів, оскільки у
них малі розмагнічувальні вихрові струми.
Для магнітом’якпх феритів початкова магнітна проникність
ип = 20...20 000, максимальна магнітна проникність цПіах ~ 35 000.
У слабких полях ферити з магнітною проникністю = 400...20 000
заміняють листовими залізонікелевимп сплавами і електротехніч-
ною сталлю. В середніх і сильних полях низької частоти використо-
вувати магнітом’які ферити неефективно, оскільки вони мають у 2...З
рази нижчу індукцію насичення, ніж металеві магнітні матеріали.
Магнітні втрати, що виникли у феритових осердях при пере-
магнічуванні, часто оцінюють тангенсом кута магнітних втрат
який у загальному випадку включає в себе складові втрат на гісте-
резис, на вихрові струми і на магнітну в’язкість.
У слабких полях втрати па гістерезис малі, втратами на вихрові
струми можна знехтувати, оскільки внаслідок високого питомого
електричного опору р вони дуже малі. Отже, для феритів у високо-
частотному полі втрати пов’язані з магнітною в’язкістю матеріалу.
Частота, при якій тангенс кута магнітних втрат різко зростає і
досягає значення = 0,1, називається критичною частотою/Кр.
275
Для феритів характерна сильна залежність магнітної проникності
ц від температури. Початкова магнітна проникність із зростанням
температури підвищується, а при наближенні до температури Кюрі
різко знижується у зв’язку з втратою феромагнітних властивостей.
Температурна залежність магнітної проникності оцінюється
відносним температурним коефіцієнтом магнітної проникності, К'к
ТКр~ Мтг-Нтї
Нт2 Н2Л (Т2~Л) ’
(70)
де Ті і ?2 — температури, при яких проводились вимірювання магнітної
проникності;
ТКр, - температурний коефіцієнт магнітної проникності, К’1.
Стабільність магнітної проникності з часом оцінюється ко-
ефіцієнтом стабільності:
—-—100%,
\ ЙгГ"
де Кц — коефіцієнт стабільності, який показує зміну параметрів протягом
року, %;
іц2 — значення початкової магнітної проникності в момент часу ґі і І2.
У перший рік після виготовлення 3%, в подальшому зміна
Цп незначні.
За складами ферити можуть бути одинарними (моноферити),
подвійними (біферитп) і багатокомпонентними (поліферити). Най-
поширенішими є біферитп: марганцевонікелеві, нікелевоцинковІ,
літієвоцинкові,
Марганцевонікелеві ферити мають такі властивості:
Високі значення початкової магнітної проникності ип (для ла-
бораторних зразків до 40 000), які одержують тільки у випадку за-
стосування дуже чистої сировини і при випалі фериту в вакуумі або
азоті (для промислових зразків рп < 600);
малі втрати на перемагнічування до частот 108 Гц;
низьку залишкову і відносно велику максимальну індукцію;
більш високу індукцію В, значно більшу температуру Кюрі і
менше значення температурного коефіцієнта магнітної проник-
ності «и порівняно з марганцевоцинковпми феритами.
Марганцевоцинкові ферити застосовують для виготовлення
осердь імпульсних трансформаторів з вузьким фронтом імпульсів і
для осердь апаратури далекого зв’язку.
НікелевоцинковІ ферити мають такі властивості:
призначені для використання в слабких полях при частотах до
100 МГц;
малі втрати і низькі значення початкової магнітної проникності
цп в широкому інтервалі температур;
276
висока тимчасова стабільність початкової магнітної проник-
ності цп (становить десяті частки відсотка за рік);
магнітна проникність залежить від температури, частоти, зна-
чення параметрів під магнічу вального поля;
магнітна проникність не залежить від механічного впливу;
властивості залежать від складу і технології виготовлення.
За магнітною проникністю нікелевоцинковІ ферити поділяють
на чотири групи.
Ферити першої групи з високим значенням магнітної проник-
ності (цтах > 1000) характеризуються високою магнітною про-
никністю, найнижчою граничною частотою, невисокою температу-
рою Кюрі, вузьким діапазоном робочих температур. Матеріали цієї
групи застосовують для виготовлення осердь, які працюють при ча-
стотах до декількох сот кілогерц.
Ферити другої групи з середнім значенням магнітної проник-
ності (Цтах = 200...600) відрізняються від феритів першої групи
складом, підвищеним значенням температури Кюрі, меншими втра-
тами при перемагнічуванні, вищим електричним опором. їх вико-
ристовують для виготовлення осердь котушок постійної і змінної
індуктивності (варіометрів) і магнітних антен. Матеріали цієї групи
можна використовувати на частотах до декількох мегагерц.
Ферити третьої групи з низьким значенням магнітної проникно-
сті (цтах= 100... 150) мають високе значення точки Кюрі (Гк ===== 400°С),
більш широкий діапазон робочих частот і температур. їх викорис-
товують для одержання виробів, які працюють на частотах декіль-
кох десятків мегагерц.
Ферити четвертої групи з наднизьким значенням магнітної про-
никності (цтах = 10...50) мають граничні частоти до 200 МГц, вели-
кий електричний опір, високу термостабільність, незначні втрати
на перемагнічування. Матеріали цієї групи застосовують для виго-
товлення осердь високочастотних котушок індуктивності.
Літієвоцинкові ферити мають найнижчий температурний ко-
ефіцієнт магнітної проникності ТКц, малі втрати на вихрові струми
до частот 2-Ю8 Гц, гістерезисні втрати вищі, ніж у інших феритів.
Осердя контурних котушок із літієвоцпнкових феритів у діапа-
зоні частот (1...2) 108 Гц має вищу добротність порівняно з котуш-
ками, у яких осердя виконані із інших магнітних матеріалів.
Магнітодіелектрики — це пресований магнітний ма-
теріал, який складається з частинок феромагнітну, ізольованих од-
на від одної діелектриком.
Характерною особливістю діелектриків є висока стабільність
магнітної проникності ц при зміні зовнішнього поля. При збільшен-
ні напруженості зовнішнього магнітного поля у декілька разів
магнітна проникність магнітодіелектрика змінюється на 15...20%, у
феромагніту за цих умов вона зростає в сотні разів.
277
Технологія виготовлення діелектриків складається з таких опеА
рацій. Феромагнітний порошок одержують механічним дроблення їй
або розкладанням відповідних хімічних сполук. Він повинен мати
необхідні магнітні властивості, певні розміри і форму частинок, до-
статню механічну міцність, хімічну інертність до діелектрика.
Ізоляційний матеріал повинен мати достатню еластичність, вира-
жену цементувальну здатність і хімічну інертність до феромагніту.
Далі феромагнітний порошок (альсифер, карбонільне залізо)
змішують з ізоляційним матеріалом (бакеліт, полістирол, каучуки
та ін.) в сухому (порошкоподібному) стані або в процесі осадження
плівки попередньо розчиненого діелектрика на частинки феро-
магніту.
Пресування — наступний етап технології. Пресувальний тиск за-
лежить від типу магнітодіелектрика і співвідношення компонентів.
За допомогою термообробки на заключному етапі стабілізують
параметри магнітодіелектриків, для чого їх витримують при підви-
щених температурах протягом певного часу.
В результаті одержують вироби більш високих класів точності,
ніж вироби з феритів, а також з меншими витратами. Проте за низ-
кою параметрів магнітодіелектрики поступаються феритам.
Найчастіше використовуються магнітодіелектрики на основі
альсиферу, легованих залізонікелевих сплавів (пермалоїв) і карбо-
нильного заліза.
Альсифер — це сплав алюмінію (аль-), кремнію (-си-) і заліза
(-фер). Він не ковкий, крихкий, твердий: при оптимальному складі
(9,5% Зі; 5,5% Аі, 85% Ге) має найвище значення початкової
магнітної проникності яка різко знижується при невеликому
відхиленні складу від оптимального; не містить дефіцитних мета-
лів; має низьку вартість. Вироби одержують тільки методом фасон-
ного лиття, оскільки він механічно не оброблюється. Зміною вмісту
кремнію і алюмінію можна регулювати температурний коефіцієнт
магнітної проникності ТКц і добитися його нульового значення.
Альсифер застосовують для виготовлення деталей, які працю-
ють у постійних магнітних полях (екрани, деталі магнітопроводів).
Для магнітодіелектриків застосовують сплави альсиферу з
вмістом кремнію 9...11% і алюмінію 7,4%. Вони мають такі власти-
вості:
початкова магнітна проникність цп = ЗО 000...35 000;
максимальна магнітна проникність Цпіах « 120 000;
коерцитивна сила Яс - 1,8 А/м при питомому електричному
опорі р » 0,8 мкОм-м:
вимоги щодо точності підтримання складу сплаву невисокі, ос-
кільки властивості магнітодіелектрика визначаються, в основному,
розмірами, формою і взаємним розміщенням частинок альсиферу і
не залежать від його вихідних властивостей.
278
Магнітодіелектрики на основі залізонікелевих сплавів (пермалоїв)
мають більш високі значення магнітної проникності Цп = 200...250
порівняно з магнітодіелектриками на основі альсиферу та знижені
значення температурного коефіцієнта магнітної проникності ТКцп-
Для виробництва магнітодіелектриків на основі залізонікелевих
сплавів, в основному, використовують порошки з молібденового
пермалою.
Через високу пластичність використовувати пермалої звичайно-
го складу неможливо. Тому для надання цим сплавам крихкості їх
легують введенням у процес плавлення невеликої кількості сірки.
Легований сплав відносно просто подрібнюється в дрібнодисперс-
ний порошок з розмірами частинок порядку десятка мікрометрів.
Магніте нікелеві сплави на основі карбонільного заліза застосову-
ють для виготовлення осердя котушок індуктивності фільтрів, контурів.
Осердя з магнітонікелевих сплавів на основі карбонільного
заліза мають широкий робочий діапазон частот, мінімальне значен-
ня магнітних втрат, високу тимчасову стабільність, високе волого-
гюглпнання, тому осердя з магнітонікелевих сплавів на основі кар-
бонільного заліза повинні герметизуватись.
Вихідною величиною для одержання карбонільного заліза є
пентакарбоніл заліза Ге(СО)5, який розкладається в середовищі
аміаку. В результаті одержують порошки з розміром частинок до
1...5 мкм з магнітною проникністю насичення цп до 3000.
Промисловість випускає карбонільні порошки двох класів: Р —
для радіапаратури і II — для провідного зв’язку. їх застосовують для
виготовлення осердя котушок індуктивності фільтрів, контурів.
6.5. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ
СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
До матеріалів спеціального призначення відносять, як правило,
магнітом’які матеріали, розроблені для часткового застосування в
пристроях, коли необхідне використання одного або двох пара-
метрів з максимальним значенням. До групи цих матеріалів входять
матеріали з прямокутною петлею гістерезису (ППГ), НВЧ-ферити,
термомагнітні й магнітострикційні матеріали.
Матеріали з прямокутною петлею гістерезису. Ступінь прямо-
кутності петлі гістерезису оцінюється коефіцієнтом прямокутності
а *ВС/Вт^ (72)
де Вс — залишкова магнітна індукція, яка відповідає максимальному зна-
ченню магнітної індукції Втах-
Для петлі гістерезису з ідеальною прямокутністю а == 1,0; для
матеріалів, які використовуються, а = 0,85...0,98.
279
• -‘-II ч/ачмам'лч .м/ги л/ ам.і/ил" аЛ-а-аХчі'иЛч ч /V иі " .л>гм\и1‘ « и'и
Магнітне осердя з ідеальною петлею гістерезису має два стій-
ких стани, що відповідають позитивному +ВС і негативному -Вс
значенням залишкової магнітної індукції (див. рис. б.З), і є магніт-
ним елементом для зберігання і переробки подвійної інформації.
Стан намагніченості матеріалу +ВС умовно приймають за 1, а стан
~Вс — за 0.
Важливою характеристикою матеріалів з ППГ є залежність їх
властивостей від температури. При підвищенні температури площа
петлі гістерезису та її прямокутність у таких матеріалів змен-
шується, тобто виникає зменшення коерцитивної сили Не, залиш-
кової індукції Вс і коефіцієнта прямокутності а. При охолодженні
спостерігається зворотний процес. Ступінь зменшення цих пара-
метрів оцінюється температурним коефіцієнтом залишкової індук-
ції ТК8с і коерцитивної сили ТКЯс.
Для характеристики швидкості перемагнічування матеріалу ви-
користовують коефіцієнт перемикання який характеризує міні-
мальну амплітуду імпульсу магнітного поля, яка необхідна для пов-
ного перемикання осердя, тобто для його перемагнічування із стану
залишкової індукції в протилежний стан максимальної індукції.
Ферити виготовляють за прецизійною технологією методом ок-
сидів або методом спільного осадження гідрооксидів. Особливістю
технологічного процесу є висока температура остаточного випалу
(приблизно 1400°С) і «повітряне загартовування», яке полягає у
різкому охолодженні на повітрі від максимальної температури. Та-
ке загартовування фіксує необхідний фазовий склад фериту, одер-
жаного при максимальній температурі.
Ферити з ППГ розподіляють на ферити з спонтанною та з інду-
кованою (наведеною) прямокутністю петлі гістерезису.
Ферити зі спонтанною петлею гістерезису одержують завдяки
складу фериту і умовам випалу, при якому поява спонтанної прямо-
кутності петлі гістерезису зумовлена перевагою процесу незворот-
ного зміщення доменних стінок.
Ферити з індукованою петлею гістерезису одержують після тер-
момагнітної обробки.
Літієві ферити з ППГ набувають необхідних властивостей при
введені до складу фериту натрію, магнію, марганцю та ін. Вони ма-
ють такі властивості: коефіцієнт прямокутності Кпр = 0,9 при малих
значеннях коефіцієнта перемикання К§ = 48...52 А-мкс/с; коерци-
тивна сила Нс = 140... 1200 А/м; виражена термостабільність елект-
ромагнітних параметрів.
Процес одержання літієвих феритів з ППГ вимагає чіткого до-
тримання певної концентрації кисню при спіканні.
Маршнець-магнієві ферити з ППГ завдяки значній різноманіт-
ності властивостей одержали найбільше поширення. Технологія
виготовлення проста, вони мають підвищену індукцію В і знижену
280
коерцитивну силу Не у феритах з добавками оксидів цинку і каль-
цію; за термостабільністю поступаються літієвим.
Магнітом’які сплави з ППГ складаються із залізонікельових і
зал і зо нікель кобальтових сплавів, легованих молібденом, міддю або
іншими металами. Випускають у вигляді стрічок прокату товщи-
ною 20...500 мкм, стрічок мікронного прокату товщиною 3 мкм,
осердь з частотою перемагнічування приблизно десятки кілогерц і
осердя мікронного прокату з мінімальним коефіцієнтом пере-
микання К$.
Ферити для надвисоких частот (НВЧ-ферити). Діапазон над-
високих частот відповідає частотам від сотень до десятків мегагерц,
тобто довжинам хвиль від одного метра до декількох міліметрів. Фе-
рити, які застосовуються в діапазоні НВЧ, мають такі властивості:
являють собою середовище, прозоре для електричних хвиль;
низьке значення тангенсу кута діелектричних втрат
ефекти, викликані взаємодією електромагнітної хвилі з магніт-
ними моментами електронів фериту, використовують для керуван-
ня потоків електромагнітної енергії;
залежність граничної робочої температури феритового елемен-
та від температури Кюрі;
залежність частоти феромагнітного резонансу від властивостей
НВЧ-фериту;
високі значення намагніченості насичення Мс, яке дозволяє
зменшити об’єм феритових НВЧ-елементів;
висока густина і однорідність структури НВЧ-феритів за раху-
нок застосування монокристалічного матеріалу;
високий питомий електричний опір (10б...109) Омм;
висока температурна стабільність в робочому інтервалі темпе-
ратур..
Усі НВЧ-ферити відносяться до магнітом’якпх матеріалів
Нс = 80...700 А/м.
Нікелеві НВЧ-ферити призначенні для виготовлення виробів,
які працюють у міліметровому діапазоні довжин хвиль і коротко-
хвильовій частині сантиметрового діапазону. Вони мають високе
значення намагніченості насичення М5, відносно невеликі значен-
ня ширини резонансної кривої ДЯ, високу термостабільність.
Магнієві НВЧ-ферити застосовують для виготовлення виробів,
які працюють у середній частині сантиметрового діапазону. Вони
мають значення намагніченості насичення Н$ менше, ніж у нікеле-
вих НВЧ-феритів; температура Кюрі має менше значення порівня-
но з нікелевими НВЧ-феритами.
Магнієві фероалюмінати, магнієві і нікелеві ферохроміти засто-
совують для виготовлення феромагнітних виробів, які працюють у
довгохвильовій частині НВЧ-діапазону. Вони мають такі власти-
вості: малі значення намагніченості насичення ДЯ; малі магнітні
281
втрати, що дозволяє використовувати їх у феритних приладах, які
працюють в малих підмагнічу вальних полях; низькі значення тем-
ператури Кюрі, що обмежує область їх використання.
Ітрієві ферити-гранати застосовують для виготовлення різних
НВЧ-пристроїв, які працюють у низькочастотній частині НВЧ діа-
пазону. Вони мають такі властивості: найменшу ширину резонанс-
ної кривої ДЯ, малі значення магнітних втрат, відносно високу на-
магніченість М, високу термостабільність.
Для виготовлення НВЧ-феритів використовують метод оксидів,
за допомогою якого одержують пластини, стержні, диски. Процес
супроводжується старанним контролем параметрів вихідної сирови-
ни і технологічних операцій.
Термомагнітні матеріали. Ці матеріали характеризуються
сильною залежністю намагніченості М від температури в полях,
близьких до поля насичення матеріалу. Термомагнітні матеріали
функціонують у режимі насичення в інтервалі робочих температур
від -60 до +60°С.
До термомагнітних матеріалів пред’являються такі вимоги:
низькі значення температури Кюрі, наближені до робочого інтер-
валу температур, оскільки найбільша залежність магнітної індукції
від температури спостерігається в області, близькій до точки Кюрі;
високі значення температурного коефіцієнта індукції насичен-
ня ТК& і магнітної проникності ТКМ;
певна форма термомагнітної характеристики (кривої залежнос-
ті магнітної індукції В від температури при постійному значенні на-
пруженості магнітного поля Я), чим більш крутий хід термомагніт-
ної характеристики, тобто чим чутливіший термомагнітний мате-
ріал до зміни температури, тим менші втрати магнітного потоку;
стійка робота в інтервалі температур від -60 до +80...100°С;
малі поля, необхідні для насичення;
висока відновлюваність характеристик.
Такі ж властивості притаманні термомагнітним сплавам і бага-
тошаровим магнітним матеріалам, а також деяким магнітом’яким
матеріалам з низькою температурою Кюрі.
До термомагнітних сплавів відносять компенсатори (термомаг-
нітні сплави системи залізо-нікель-хром), каль малої (сплави сис-
теми нікель-мідь,) термалої (сплави системи нікель-залізо).
Найчастіше використовують компенсатори, які мають такі ха-
рактеристики:
повну зворотність магнітних властивостей в діапазоні темпера-
тур від -65 до +180°С;
великі значення намагніченості насичення
високі значення температурних коефіцієнтів намагніченості на-
сичення ТКАД та індукції насичення ТКВ5;
високу лінійність магнітних характеристик;
282
високу відновлюваність параметрів;
виражену механічну оброблюваність.
Кальмалої мають порівняно малу магнітну індукцію, тому маг-
нітні стержні з цих матеріалів мають великі поперечні перерізи.
Термалоі мають такі характеристики:
невідновну зміну властивостей лід дією низьких температур;
сильну залежність точки Кюрі від складу (зміна вмісту нікелю
на 0,25% зміщує точку Кюрі на 10 К);
погану відтвортованість характеристик.
Багатошарові термомагнітні матеріали одержують спільним
прокатуванням листів або штаб з термомагнітних сплавів з різни-
ми властивостями. Необхідні характеристики багатошарових ма-
теріалів одержують у результаті підбору вихідних штаб з необхід-
ними властивостями і товщиною. Вони мають слабку залежність
намагніченості насичення Мх від напруженості магнітного поля Н,
малі параметри полів насичення, можливість заздалегідь розраху-
вати необхідні властивості матеріалів, різноманіття одержаних ха-
рактеристик, однотипність технології виготовлення.
Магнітом’які матеріали з низькою темпера-
турою Кюрі застосовують у пристроях, які працюють у діапа-
зоні температур з розширеною позитивною областю.
Термомагнітні матеріали використовують для магнітних шунтів
і додаткових резисторів для компенсації температурної похибки
або забезпечення зміни магнітної індукції у повітряному зазорі за
заданим законом; в індукційних печах для підтримування заданої
температури або у реле, момент спрацьовування яких залежить від
температури.
Магнітострикційні матеріали. Ці матеріали характеризуються
залишковою індукцією Вс, коерцитивного силою Ріс, магнітострик-
ційною деформацією насичення (коефіцієнтом магнітострикції на-
сичення) (Х5 = А///, де / — довжина пластини до впливу поля; А/ —
зміна довжини пластини під дією поля).
Як магнітострикційні матеріали застосовують нікель, пермен-
дюри (сплави системи кобальт-залізо), альсифери (сплави системи
залізо-алюміній), нікель-кобальтові ферити.
РІікель застосовують у вигляді пластин, впрублених із жорсткої
невипаленої стрічки товщиною 0,1 мм і оксидованих при нагріванні
на повітрі до температури 800°С протягом 15...25 хвилин. Із пластин
набирають пакети, стійкі проти корозії в атмосфері і морській воді.
Нікель має високі антикорозійні властивості, малий темпера-
турний коефіцієнт модуля пружності, велике абсолютне значення
коефіцієнта магнітострикції насичення ~ -35-10'6 (знак «мінус»
означає зменшення довжини).
Пермендюри відносяться до сплавів з високою індукцією на-
сичення. Із елементів найвищу індукцію насичення має залізо
283
(цоМс = 2,1 Т). Проте для зменшення маси виробів використовують
сплави заліза з кобальтом і ванадієм.
Із пермендюрів найбільш відомий залізонікелевий сплав, лего-
ваний ванадієм, введення якого покращує оброблюваність сплаву в
холод йому стані.
Він має такі властивості:
найвище значення індукції насичення із всіх матеріалів, які ви-
пускаються Ви = 2,4 Т, що дозволяє одержати економію в масі і
об’ємі порівняно з залізом на 15...20%;
високі магнітострикційні характеристики в широкому діапазоні
температур == (60...70)-10'6];
велике значення магнітної проникності (ц = 500).
До недоліків пермендюрів належить:
малий питомий електричний опір р;
висока вартість;
дефіцитність кобальту і ванадію;
нестійкість проти корозії;
погану механічну оброблюваність.
Пермендюри застосовують для виготовлення телефонних мем-
бран і виробів, які працюють у постійних або слабких змінних
магнітних полях з сильним підм згнічуванням постійним полем.
Нікель-кобальтові ферити мають кращі високочастотні власти-
вості порівняно з іншими магнітострикційними матеріалами, кон-
структивно-технологічними перевагами, низькою міцністю, низь-
кою теплопровідністю.
З урахуванням низької міцності і теплопровідності магніто-
стрикційні ферити застосовують у прецизійних перетворювачах
електромеханічних і магнітострикційних фільтрів, акустичних
приймачах і випромінювачах малої та середньої потужності.
Контрольні питання
1. Які властивості мають магнітом’які і магнітотверді матеріали?
2. Що являють собою матеріали для магнітних носіїв інформації?
3. Як одержують магнітодіелектрики?
4. Які магнітні властивості заліза?
5. Які сталі застосовують як магнітотверді матеріали?
6, У чому полягають особливості пермалою?
7, Яка технологія одержання магнітодіелектриків?
284
Розділ 7
МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ВИРОБІВ
ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ
Вироби електронної техніки характеризуються не тільки неве-
ликими розмірами, але й складністю протікання фізико-хімічнпх
процесів. Для їх виготовлення використовують епітаксію, дифузію,
фотолітографію; термовакуумне напилювання тощо. Ці процеси
вимагають застосування різноманітних матеріалів (провідників,
напівпровідників, діелектриків) високого ступеня очищення. В ре-
зультаті одержують напівпровідникові інтегральні схеми, гібрид-
ноплівкові та багатокристалічні великі інтегральні схеми, пристрої
з печатним монтажем.
7.1. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ
ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ
Інтегральні схеми (ІС) за конструктивно-технологічним вико-
нанням поділяють на напівпровідникові, гібридиоплівкові та ін.
Напівпровідниковими інтегральними мікросхемами називають
схеми, у яких всі елементи і міжелементні з’єднання виконані в об’є-
мі і (або) на поверхні напівпровідникового матеріалу.
Одержання І очищення монокристалічних зливків. Більшість
приладів виготовляють із напівпровідникових пластин або крис-
талів, вирізаних із монокристалічних зливків. Для одержання
монокристалічних зливків застосовують методи безтигельного зон-
ного плавлення, витягування з розчину (метод Чохральського) і
гарнісажного плавлення. Для зменшення втрат при одержанні пла-
стин із зливків у виробництві ІМС застосовують напівпровідникові
матеріали у вигляді монокристалічних епітаксиальних тонких плівок,
які наносять на монокристал Ічні підкладки кремнію, сапфіру, корун-
ду тощо (див. підрозд. 4.2.2).
Одержання напівпровідникових пластин. Напівпровідникові ма-
теріали відрізняються високою твердістю і крихкістю, тому для їх
обробки використовують спеціальні методи. Нарізання зливків на
пластини здійснюється сталевими полотнами, дротом з викорис-
танням абразивів, а також дисками з алмазовміщуючою внутріш-
ньою різальною крайкою.
285
Перед різанням зливок закріплюють на оправці спеціальними
мастиками. Для видалення продуктів різання і відведення теплоти в
зону різання подають охолоджувальну рідину (5%-й розчин кальци-
нованої соди). Після різання пластини шліфують і полірують. Шлі-
фування напівпровідникової пластини застосовують для одержання'
необхідної товщини і паралельності площин. При цьому з пластини
видаляють поверхневий шар, порушений при різанні зливка.
Пластину закріплюють на оправці спеціальними сумішами і
шліфують з одного боку, а потім переклеюють її на оправку відшлі-
фованим боком і шліфують інший бік. У процесі шліфування здійс-
нюють безперервну подачу шліфувальної суспензії. Для шліфуван-
ня використовують абразивні порошки і пасти.
ШліфовальнІ абразивні порошки. Абразивним може бути будь-
який природний або штучний матеріал, зерна якого мають абразив-
ну здатність, твердість, механічну та хімічну стійкість, тобто здат-
ність різати і шліфувати інші метали.
Головна особливість абразивних матеріалів — це їхня висока
твердість порівняно з іншими матеріалами і мінералами. Між собою
вони відрізняться розмірами (величиною) зерен, що впливає на
глибину залягання механічно порушеного шару на поверхні напів-
провідникових матеріалів під час різання, шліфування й полірування.
Електрокоруїід — це оксид алюмінію АІ2О3, який одержують у
результаті плавлення хімічно чистого оксиду алюмінію (глинозе-
му). При переході з розплавленого стану в твердий оксид алюміній
кристалізується в а-корунд, який є дуже твердою речовиною біло-
го кольору. За твердістю він поступається тільки алмазу і карбіду
кремнію [мікротвердість лежить у межах (1,8...2,4)-1010 Н/м2]; твер-
дість за шкалою Мооса 9. Електрокорунд має густину Р = 4 г/см3,
температуру розм’якшення Гроз = 1750°С, температуру плавлення
Гпл = 2050йС, модуль пружності 7,6-Ю11 Н/м2.
Залежно від вмісту АІ2О3 поділяють на три сорти;
електрокорунд білий, який одержують при плавленні чистого
глинозему, містить від 98,5 до 99,5 % АІ2О3;
електрокорунд нормальний, одержаний при плавленні бокситу
з вуглецем, містить від 91,1 до 96,0 % АІ2О3;
електрокорунд чорний, одержаний внаслідок плавлення залізне-
того бокситу без додавання вугілля, вмістить від 65,0 до 75,0 % АІ2О3.
Виплавляють корунд у відкритих дугових електропечах по- "
тужністю до 10 000 кВт. Вихідною сировиною є боксит без домішок •“
оксиду кальцію, кремнію, магнію, сірки та ін. -
Карбід кремнію 5іС це хімічна сполука кремнію з вуглецем, і
який має такі властивості:
крихкість; 1
хімічно чистий — безбарвний, а технічний — залежно від І
домішок набуває відтінку від світло-зеленого до чорного; ?
286
кристалізується, в основному, у вигляді тонких шестикутних
пластинок розміром від 2 до 15 мм, слабко зв’язаних один з одним
за площинами спайності;
добрий абразивний матеріал з високими різальними властивос-
тями, що перевищують абразивну здатність електрокорунду прак-
тично в 2 рази;
мікротвердість 3,4-1010 Н/м2;
твердість за шкалою Мооса 9,2;
густина О = 3,16...3,39 г/см3.
границя міцності при стисканні ас = 2,5-109 Н/м2.
Одержують карбід кремнію при нагріванні суміші кремнію з вугле-
цем в електричних печах при температурі вище 2000 °С. Шихту сплав-
ляють, після застигання розбивають гідромоніторами* і сортують.
Випускають карбід кремнію двох різновидів:
зелений, при виробництві якого в шихту вводять до 6% за масою
кухонної солі ЙаСІ і аморфний карбід кремнію, що містить до 85% 8ІС;
чорний, який відрізняється від зеленого вмістом 8іС, великою
крихкістю і меншою твердістю.
Карбід бору ВС — це тугоплавка сполука бору з вуглецем, яка
має такі властивості:
за твердістю переважає всі абразивні матеріали, поступаючись
лише алмазу;
надзвичайна крихкість порівняно з іншими абразивами;
при тривалому знаходженні на повітрі при підвищеній темпера-
турі окиснюється і зневуглецьовується, тому для шліфування його
використовують у вигляді порошку в режимах без великого тепло-
утворення;
густина £) = 2,5 г/см3;
термостійкість 500...600°С;
температура розкладання Гр = 2350°С;
границя міцності при стискуванні аСт “ 1,9-109 Н/м2.
Вихідною сировиною для виробництва карбіду бору є борна
кислота і нафтовий кокс. Шихту плавлять, одержану після плав-
лення речовину подрібнюють, сортують і класифікують за групами
зернистості.
Алмазні шліфувальні порошки — це суміші алмазних зерен, які
мають правильну кристалічну форму. За розмір зерен приймають
половину суми довжини і ширини проекції зерна на предметному
столі мікроскопа. Основною фракцією алмазного порошку прийня-
то називати сукупність зерен певного розміру, що переважають за
кількістю у складі даного порошку.
*Пристрій для створення щільної, летючої з великою швидкістю течії
води і керування нею; один з основних пристроїв гідромеханізації (во-
добій) (від грец. кубіог— вода, волога).
287
За розміром зерен, методом одержання і за контролем ал-
мазні порошки поділяють па шліфпорошки, які одержують
розсівом на ситах, і мікропорошкп, одержані класифікацією* з
використанням рідини.
Якість алмазних порошків характеризується зерновим складом,
міцністю, абразивною здатністю, шорсткістю оброблю вальної поверхні.
Для механічної обробки напівпровідникових матеріалів вико-
ристовують: алмазні шліфпорошки із синтетичних алмазів;
шліфпорошки із природні їх алмазів, міцність на стискування яких
залежить від їх зернистості і зростає зі збільшенням алмазних зе-
рен; алмазні мікропорошкп, які мають порівняно з алмазними
шліфпорошками менші розміри зерен. Абразивна здатність мікро- ,
порошків визначається відношенням маси із шліфованого корунду
до маси витраченого алмазного мікропорошку
Шліфувальні пасти складаються із алмазних мікропорошків різ-
ної зернистості і високомолекулярнпх поверхнево активних речовин.
Залежно від вмісту алмазного мікропорошку випускаються ал-
мазні пасти високої концентрації (В), середньої (С), низької (Н) і
зниженої концентрації (3).
Залежно від зернистості пасти розподіляють за консистенцією
на тверду (Т), густу (Г). мазеподібну (М) і рідку (Р).
Після шліфування на поверхні пластини залишається поруше-
ний поверхневий шар, який видаляють поліруванням у два етапи:
попереднє полірування на тканих матеріалах (батист тощо) з
використанням суспензій на основі алмазного порошку з розмірами
зерен не більше 3 мкм, товщина видаленого шару — 2,5 мкм;
остаточне полірування на замші або шкірі з використанням ал- -
мазких мікропорошків з розміром зерен 1 мкм.
При механічній обробці напівпровідникових матеріалів ви кори- і
стовують різні полірувальні пасти і полірувальні суміші. і
Полірувальна паста — це маса зеленого кольору, яка має темпера-
туру краплеиадіння органічної основи 44°С і максимальну глибину
мікронерівностей (рисок), що не перевищують 0,5 мкм. До складу па-
сти входять 62...65% оксиду хрому, 10... 12% нафтового парафіну марок :
А і В і 35...38% о леї нов ої к 11 с л от і і , стеар ину, сірки, натрійового і каліпо- .
вого хромшіку. Застосовують полірувальну пасту для полірування ви- .
робів на бавовняних, фетрових і шкіряних кругах-полірувальнпках.
Оксид хрому СілОз — це порошок зеленого кольору із вмістом
чистого продукту в перерахунку на СлдОз не менше 98...99% і воло-
ги н е б і л ь її і е 0.15 V-;,. Одер ж у ют ь о к с п д х ро му від но вл єн ня м сіркою
*3багачснпя руди розділенням подрібнених її частин на окремі класи
крупності з використанням різшщі частинок за розмірами, формою тощо;
здійснюється на спеціальних апаратах-класифікаторах (від латин, с/а.ч.чіа —
розряд + /асеге — робити).
288
двохромовокислого амонію. Одержаний сплав подрібнюють, відми-
вають водою від іонів 8О4 та інших водорозчинних солей і беруть із
відмитого оксиду хрому фракцію з відповідним розміром зерен.
Широко використовують для полірування пластин германію,
кремнію, арсеніду галію і карбіду кремнію.
Амоній двохромовокислий — це кристалічна речовина оранжево-
червоного кольору, яка розчинюється у воді і застосовується для
приготування тонкого порошку оксиду хрому.
Полірит — це порошок коричневого кольору різних відтінків,
що містить 97% оксидів рідкоземельних металів, у тому числі до
45% оксиду церію.
Використовують для полірування скла і напівпровідникових
матеріалів.
Полірувальні пасти. Це суміші аеросилу, гліцерину, диетил-
діаміну, етиленгліколю і деіонізованої води.
Для одержання напівпровідникових матеріалів найчастіше
застосовують три склади:
1 — деіонізована вода 1000 мл, аеросил-380 120 мл, гліцерин
50...70 мл, водний розчин етилендіаміну 100...200 мл;
2 — деіонізована вода 1000 мл, аеросил-300 100...150 мл, ети-
ленгліколь 50...70 мл, діетламін 50... 150 мл;
З — деіонізована вода 1000 мл, аеросил-380 40...80 мл, аеросил-
300 20...40 мл, гліцерин 50...70 мл, етилендіамін 100...200 мл, 30%-й
пероксид водню 50...150 мл.
Аеросил — це сипкий блакитно-білий порошок чистого діоксиду
кремнію який має молекулярну масу т = 60,08; пожежо- і вибухо-
небезпечний; токсичний: вдихання пилу викликає хвороби легень
(гранично допустима концентрація пилу аеросилу в повітрі вироб-
ничих приміщень — 1 мг/м3).
Вміст домішок в аеросилі не повинен перевищувати 0,003% ок-
сиду заліза; 0,05% оксиду алюмінію; 0,02% діоксиду титану; 0,025%
соляної кислоти і 2,3...4,0% вологи для трьох марок.
Порошок полірувальний «Елплаз» являє собою суміш білого ко-
льору зі слабким зеленуватим відтінком. Розмір частинок не більше
0,5 мкм. Застосовують для остаточного полірування напівпровідни-
кових пластин перед епітакспальним нарощуванням. Випускають
порошок марок: А, Б і В.
Шліфування і полірування виконують за допомогою шліфуваль-
ників і полірувальників, для яких використовують різні матеріали.
Матеріали для виготовлення шліфувальників і поліруваль-
ників. Для шліфувальників використовують диски з плоскою по-
верхнею із чавуну, сталі, сплавів міді, скла, дерева, текстоліту, текс-
товініту. На плоскій поверхні диску, яка називається робочою,
закріплюють напівпровідникові пластини або кристали і заливають
абразивною суспензією.
10 «Електроматерігтозиазство»
289
Для полірувальників використовують шліфувальні диски, які -
обтягують різними тканинами або синтетичними плівками. Вибір Г
матеріалу залежить від сумісності тканинної плівки з абразивною /
суспензією, терміну придатності і необхідної частоти обробки
поверхні. Для виготовлення полірувальників найчастіше викорис- '1
товують фетр, фетр з пластиковим наповнювачем, велюр, ворсит, -і
замшу, войлок, фланель тощо. /
Чавун відноситься до групи чорних металів і являє собою ;Н
сплав заліза з вуглецем. Його виплавляють у доменних печах і за 1
призначенням поділяють на ливарний і граничний (для виплавки І -і
сталі). £
За вмістом вуглецю і форми графітних включень чавуни бува- і
ють білі, сірі, ковкі і високоміцні. | \
Сталь — це сплав заліза з вуглецем, який відрізняється від і
чавуну меншим вмістом вуглецю. Вуглецеві сталі мають добрі ]
механічні властивості, достатню міцність, сприйнятливість до ме- | \
ханічних навантажень й задовільну корозійну стійкість в умовах % ;
вологості. 'І |
Для виготовлення шліфувальників використовують латуні |;
(сплави міді з цинком) і бронз и (сплави міді, в яких ОСНОВНИМ ;
легуючим компонентом є будь-який метал, крім цинку). ’Д |
Скло різних марок використовують для виготовлення шліфу- і
вальнпків методом гарячого лиття в форми і відповідною ме- і
хаиічною обробкою одержаною напівфабрикату. |
Деревину прес о в а н у одержують ущільненням попе- Ц і
редньо розпареної або нагрітої натуральної деревини з подальшим </
її сушінням і тепловою обробкою. Залежно від виду ущільнення |}
одержують: деревину одиоосного поперечного ущільнення у ви-
гляді брусків (вологостійку) марок ДПО і ДІЮ-В, для виготовлем- ;
НЯ ЯКИХ використовують березу, бук та осику; деревину ДВООСНОГО 5; :
поперечного ущільнення з підвищеними показниками розколюван- | -і
ня і сколювання марки ДПД, для виготовлення якої використову-
ють березу, бук, осику, граб і вільху. і
Текстоліт виготовляють просоченням різних тканин гаря- :'|
чою смолою і подальшим пресуванням (див. розділ 5). ;
Із текстоліту виготовляють диски шліфувальників різної тов- Д і
шинні діаметра.
Склопластик — це матеріал, в якому основою є склоткани- V
на, а просочувальною сумішшю — епоксидна смола. Склопластик '
має густину Р = 1,85 г/см3, низьку водопоглинальну здатність, ви- !
соку нагрівостійкість і високу механічну міцність. і і
Склотекстоліт використовують для виготовлення шліфуваль-
них дисків.
Текстовініт — це бавовняна тканина з полівінілхлоридним ;
пористим і непрристим покриттями. Він еластичний, стійкий проти
290
дії води, гасу, бензину і різних масел; має низьку стираність і тер-
мостійкість 70°С.
ТекстовинІт використовують як полірувальний матеріал при
обтягуванні шліфувальних кругів.
П л а с ш к і р а — це пластини розміром 600x600x5 мм, що виго-
товляються проклеюванням шкіряного хромового волокна каучу-
ковим клеєм. Вона має границю міцності сг = 107 Н/м2, відносне ви-
довження при розриві 40%, намочувана у бензині 30%.
Використовуються як підкладка при шліфуванні і поліруванні.
В і н і л і с ш к і р а Т — це матеріал, що складається з тканинної
основи, вкритої впнілполімерпою смолою і клійкою речовиною з
нанесеним на нього ворсом із штучного волокна. Міцність пофарбу-
вання ворсу при мокрій обробці тертям не менше 4 балів.
Кирза — це бавовняна тканина, просочена каучуковим розчи-
ном, яка має границі міцності при розтягуванні сур = 2-Ю6 Н/м2,
стираність 0,35 Н/м2 після 10 000 обертів. Використовують як
підкладку при шліфуванні виробів.
Ворсит — це вельветом, на ворсистий бік якого послідовно на-
носять декілька шарів каучукової смоли. Він має такі властивості:
видовження при розриві 20%, стійкість проти стирання 540'3 Н/м2
за 1000 обертів.
Використовують як підкладку при шліфуванні виробів.
Замша — це шкіра з низьким і густим ворсом, вичинена з жи-
ровим дубленням із шкір оленів, лосів і овець.
Войлок — це тонкошсрстний матеріал, виготовлений у ви-
гляді листів товщиною від 2,5 до 20 мм. Видовження при розриві
не перевищує 135%; границя міцності на розрив при товщині 2 мм
стр = 1,5‘106 Н/м2, при товщині 5 мм сур = 3,5-106 Н/м2. Із листового
войлоку виготовляють диски для полірувальників.
У процесі механічної обробки намів провідникових матеріалів
виконують кріплення зливків при різанні на пластини, кріплення
пластин при шліфуванні, поліруванні і розділенні на кристали. Для
кріплення зливків використовують епоксидні смоли, клей, БФ,
полістирол. Пластини і кристали кріплять за допомогою воску,
парафіну, шелаку, піцеїну, гліфталевого лаку.
Матеріали для наклеювання зливків, пластин і кристалів. До
таких матеріалів відносять епоксидні смоли, клеї, полістирол, віск,
парафін, каніфоль та ін.
Епоксидні смоли ЕД-5 і ЕД-6 — це прозорі, в’язкі рідини від
світло-жовтого до світло-коричневого кольору. Для приготування
клейової суміші в епоксидні смоли вводять затвердники (аміди,
аміни або ангідриди), пластифікатори, наповнювачі і розбавники.
Клей БФ (БФ2, БФ4, БФ6) — це прозора або непрозора рідина,
від жовтого до червоно-бурого кольору, яку одержують змішуван-
ням фенолформальдегідної і полівінілбутиральної смол. Він має
10*
291
високу клейову здатність щодо різних матеріалів, міцність кле- ;
йового з’єднання для різних матеріалів коливається від 2-Ю6 до -
3,5-107 Н/м2, нагрівостійкість 180°С.
Для кріплення напівпровідникових зливків використовують
суміш БФ з абразивним мікропорошком у співвідношенні 30%
клею і 70% мікропорошку \
Полістирол — це порошок білого кольору, який розчинюється в то- і
луолі з утворенням однорідної в’язкої рідини; має температуру роз- І
м’якшення Гроз = 8О...85°С, температуру плавлення ГПл = 14О...16О°С. :-
Для кріплення зливків і підкладок полістирол використовують
у вигляді емульсій, яку наносять на поверхню, що склеюють, і су-
шать при температурі 85°С протягом декількох годин, або у вигляді •
плівки товщиною 0,2...0,3 мм, якою обмотують зливки і нагрівають ",
їх при температурі 85°С протягом 5 годин.
Віск — це термопластичний матеріал тваринного (бджолиний) і
рослинного походження жовтого кольору Він нерозчинний у воді і
стійкий проти багатьох речовин, розчиняється у бензині; має темпе-
ратуру розм’якшення Гроз == 6О...7О°С; при температурі вище 70°С :
розпливається по поверхні підкладки, а при охолодженні застигає і
утворює тверду плівку Використовують для приклеювання напів-
провідникових пластин до шліфувальних і полірувальних планшайб.
Парафін — це термопластичний матеріал білого кольору, який
має крупнокрпсталічну пухку структуру, що спричиняє велику
усадку при застиганні — 10... 12%; температуру розм’якшення і
плавлення Діл = 5О.,.55°С.
Парафін одержують із дистиляторів, який виділяється при роз-
гонці парафінової нафти. При охолодженні парафін кристалі-
зується. При швидкому охолодженні в парафіні утворюються чис-
ленні повітряні бульбашки. Одержаний продукт очищують сірча-
ною кислотою і підбілюють глиною.
Для кріплення напівпровідникових пластин шліфувальні і
полірувальні шайби нагрівають до температури 60...70°С, покрива-
ють парафіном і вкладають на них пластини, а зверху на пластинах
розміщують спеціальний вантаж. Після остигання планшайб пара-
фін застигає і утворює жорстке з’єднання планшайби з пластиною.
Каніфоль — це крихка, прозора, склоподібна маса жовтого кольо-
ру, яку випускають марок А, Б, В і Г. Вона має температуру розм’як-
шення Грозі == 68°С, Гроз2 = 66°С, ГрозЗ = 54°С, Грозі = 73°С; вміст
змінюється від 0,2 до 0,4%; розчинна в нафтових і рослинних мас-
лах, рідких вуглеводнях, спирті, скипидарі та ін.
Одержують каніфоль із смоли хвойних дерев методом відгонки
рідких складових частин (скппідару).
Піцеїн — це термопластична речовина, яку одержують при змі-
шуванні 25 частин каніфолі та 75 частин бджолиного воску. Суміш
розплавляють, варять протягом декількох годин, фільтрують і роз-
292
ливають у форми. Час варіння впливає на властивості піцеїну і
підбирається дослідним шляхом.
За допомогою піцеїну кріплять напівпровідникові пластини і
кристали на планшайби.
Шелак — це органічна шарувата речовина, лускатої будови жов-
то-коричневого кольору різних відтінків. Він має температуру
розм’якшення Гроз = 8О...9О°С, температуру плавлення 110...12б°С,
густину В = 1,04 г/см3, коефіцієнт усадки 3,6%, водонепроникність,
що не перевищує 5 %; розчиняється у спирті і лугах; має високу ме-
ханічну міцність.
Шелак використовують у чистому вигляді та у вигляді шелачно-
бакелітової мастики, яку зберігають на відстані від відкритого вогню.
Церезин — це термопластична кристалічна речовина жовтого
кольору, яку одержують із деяких сортів нафти, а також із гірничо-
го воску. Він має такі властивості:
дрібнокристалічну структуру;
температуру плавлення Гпл ” 6О...8О°С вищу, ніж у парафіну;
усадку при охолодженні 7...8%.
Гліфталевий лак — це прозора рідина, за складом — синтетична
алкідна смола, модифікована каніфоллю і рослинним маслом. Він
має такі властивості:
високу клейову здатність;
температуру розм’якшення Гроз = 100...110°С;
високу міцність плівок і шарів.
Гліфталевий лак використовують для наклеювання напівпро-
відникових пластин на підкладки.
Очищення пластин. Для видалення забруднень, які утворились
при механічній обробці, використовують рідке або сухе очищення.
Для промивання напівпровідникових пластин і кристалів застосо-
вують кислоти, розчинники, дистильовану та деіошзовану воду.
До органічних розчинників відносять бензин авіаційний, толу-
ол С6Н8, спирт етиловий ректифікований С2Н5ОН, спирт метило-
вий СИзОН. ацетон технічний, етиленгліколь СН2О.Н — СН2ОН.
Фотолітографія — важливий технологічний процес, який
дозволяє одержувати мікрозображення будь-якої складної форми.
При фотолітографії застосовують фотографічні (фотоемульсії для
одержання на поверхні напівпровідникової пластини світлочутли-
вих шарів), хімічні (розчинники, проявники, закріплювачі) і елект-
роізоляційні (оптичне скло, фарби, емалі, лаки) матеріали.
Для одержання напівпровідникового матеріалу певного типу
провідності, створення в ньому областей з необхідною концентра-
цією носіїв заряду певного знаку, утворення в монокристалах
р-п-переходів і областей під омічні контакти використовують
дифузію домішок. У якості домішок у дифузійних процесах на
германію і кремнію використовують елементи Періодичної систе-
293
ми хімічних елементів Д. І. Менделєєва: III групи (бор, алюміній,
галій, індій), V групи (фосфор, миш’як, сурма), І групи (срібло,
золото), II групи (кадмій, цинк), IV групи (кисень, селен, телур).
Дифузанти застосовують в елементарному вигляді і у вигляді
оксидів і сплавів. Для проведення процесів дифузії використовують
різні тиглі, касети, човники, які виготовляють із графіту або кварцу.
Розділення напівпровідникових пластин на кристали. Цей процес
здійснюється в два етапи. Перед розділенням кожну схему переві-
ряють на функціонування і несправні помічають спеціальною фарбою.
Після розділення пластини несправні кристали відбраковують.
На першому етапі на пластині зі сформованими напівпровідни-
ковими структурами виконують скрайбування, наносячи алмазним
різцем неглибокі риски.
Безконтактне скрайбування виконують лазером, випаровуючи
метал пластин кремнію у вигляді канавок по лінії розділення крис-
талу. На другому етапі пластину розламують на кристали вздовж
рисок, нанесених роликом, гнучкою стрічкою або на сферичній
опорі. При ламанні роликом пластину кладуть на м’яку гнучку опо-
ру рисками вниз і прокатують стальним, гумовим або фторопласто-
вим роликом у двох взаємно перпендикулярних напрямках.
Під час ламання за допомогою гнучкої стрічки на зворотний бік
пластини наносять швидковисихаючу емульсію, яка, висихаючи,
утворює плівку, що утримує кристали після ламання. Пластину
рисками вверх розміщують на гумовій стрічці, яка знаходиться на
гнучкій опорі із пружинної сталі. При використанні сферичної опо-
ри пластину вкладають у пакет із тонкої плівки, який розміщують
на сферичній опорі і притискують діафрагмою. Пластина обтис-
кується пружною гумовою діафрагмою на сферичній опорі і розла-
мується на окремі кристали відразу у двох напрямках. Якщо товщи-
на пластин не дозволяє застосовувати скрайбування, їх розділяють
на кристали алмазним диском.
Після розділення і хімічної обробки виконують монтаж
кристалів на основу корпусу за допомогою клеїв, паяння або
посадкою на евтектику.
Клей повинен мати термічний коефіцієнт розширення, близь-
кий до термічного коефіцієнта розширення матеріалів, що склею-
ються; добру міцність з’єднування і зберігання своїх фізико-
хімічних властивостей в діапазоні робочих температур приладу; ви-
соку хімічну стійкість; високі електроізоляційні та оптичні власти-
вості; в’язкість і термін придатності, що забезпечують технологіч-
ність процесу.
Полярні матеріали склеюють полярними клеями, а неполярні -
неполярними (див. розділ 5).
Основу корпусів виготовляють із металів та їх сплавів, кераміки
або пластмас.
294
Для кріплення кристалів на основи корпусів найчастіше вико-
ристовують клеї ВК-9, К-400.
Для паяння кристалів м’якими припоями на зворот йому (не-
планарному) боці кристала заздалегідь одержують контакт дифу-
зією бору чи фосфору або утворенням силіциду. Паяння кристала
виконують легкоплавкими припоями через прокладку або індієви-
ми пастами. Кристал через прокладку притискують до основи кор-
пусу і нагрівають в атмосфері воді по до сплавлення.
Для паяння кристалів великих розмірів застосовують проклад-
ки товщиною 100...200 мкм із сплаву, що складається із 25% срібла,
25% германію і 50% свинцю.
При кріпленні кристала па основу корпусу із золоченого ковару
на зворотний бік кристала напилюють плівку олова товщиною
1,0 мкм з підшаром хрому, товщиною 0,015 мкм. В процесі паяння
при температурі 240...260° С утворюється евтектика, яка скла-
дається із 20% золота і 80% олова.
У приладах з невисокою робочою температурою монтаж крис-
талів здійснюється низькотемпературними припоями на основі
індію (наприклад, 50% індію і 50% олова).
Для кріплення кристалів на основу корпусу використовують та-
кож галієві або індієві пасти. Галієві пасти нетсхнологічні через
швидке окиснення і вимагають суворого дотримання правил техні-
ки безпеки. На основі індію використовують дозоване нанесення
пасти такого складу: 36,4% індію, 33,6% олова, 30% міді.
Для кріплення кристала па основу корпусу за
допомогою евтектики на посадочну площадку на основі корпусу
або на всю його основу наносять золоте покриття. При великих
розмірах кристалу використовують золоту прокладку із сплаву
З л С у - 01 для к р е м нію р-типу (електронного), для кремнію и-типу
(дІркового) із сплаву ЗлГл-01.
Евтектика утворюється між матеріалом кристала і золотом у про-
цесі їх взаємного розчинення при паянні, яка виконується при темпе-
ратурі приблизно 430°С. До складу евтектики входять 94% золота і
6% кремнію (вагових) або 70% золота і 30% кремнію (атомних).
Кристали приєднуються до внутрішніх виводів корпусу.
Напівпровідникові ІМС виготовляють у мініатюрних корпусах
або у без корпусному виконанні. Безкорпусні напівпровідникові
ІМС використовують у гібридно-плівкових інтегральних схемах і
мікрозборках.
Безкорпусні активні елементи поставляють па напівпровідни-
ковій пластині, у вигляді дискретних безвивіднпх кристалів, а також
з дротяними м’якими і об’ємними жорсткими виводами.
Для м’яких дротяних провідників використовують золото,
алюміній, нікель. Жорсткі виводи виконують у вигляді стовпчиків,
кульок, балок або пелюсток.
295
Корпусній герметизації піддають, в основному, кристали з
м’якими дротяними або пелюстковими виводами. Для монтажу на
підкладку використовують кристали всіх видів.
Рис. 7.1. Мікросхема
в металоскляному корпусі:
1 — основа; 2 — кришка; 3 — кристал мікросхеми;
4 —контактні виводи
Корпуси призначені
для захисту мікросхем від
кліматичних і механічних
впливів. Корпус склада-
ється з основи, що містить
виводи і кришку. За роз-
міщенням виводів корпу-
си бувають зі штирковими
і планарними виводами.
За використаними ма-
теріалами корпуси поді-
ляють на металоскляні
(рис. 7.1), металокераміч-
ні (рис. 7.2) та метало-
пластмасові (рис. 7.3).
Металоскляні корпуси складаються з металевої кришки і ме-
талевої основи, в якій металеві виводи ізолюються склом. Для ви-
готовлення таких корпусів використовують залізонікельові спла-
ви. Основним сплавом є ковар, який складається із 29% нікелю,
18% кобальту і 53% заліза. Цей сплав досить добре узгоджується за
термічним коефіцієнтом лінійного розширення з кремнієм і склом;
Рис. 7.2. Мікросхема
в металокерамічному корпусі:
1 — кристал мікросхеми; 2 — контактний
вивід; 3 — кришка; 4 — основа
Рис. 7.3. Плоский металопластмасовий
корпус для інтегральних схем
296
має добру теплопровідність, високий питомий електричний опір,
задовільну корозійну стійкість й високу технологічність.
Виводи корпусів виготовляють із ковару або нікелю. Для ізо-
ляції виводів використовують тугоплавке боросилікатне скло.
Металокерамічні корпуси складаються з керамічної основи і ме-
талевої кришки.
Пластмасовий корпус складається з пластмасової основи і мета-
левої кришки. Він має низьку герметичність, оскільки при різкій
зміні температур виникають тріщини. Корпуси герметизують паян-
ням або зварюванням.
7.2. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ГІБРИДНО-ПЛІВКОВИХ
І БАГАТОКРИСТАЛЬНИХ
ВЕЛИКИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ
Гібридно-плівкові інтегральні схеми (ГПС) — це мікросхеми, у
яких пасивні елементи виконують у вигляді тонких або товстих
плівок, а активні — у вигляді навісних дискретних компонентів.
Тонкоплівкові інтегральні схеми. Підкладки тонкоплівкових
мікросхем повинні мати низьку вартість і бути доступними щодо
матеріалу; мати великий поверхневий і об’ємний електричний опір,
навіть за наявності вологи і електролітів; малу (а в деяких випадках
і велику) діелектричну проникність; високу теплопровідність; ви-
соку механічну міцність; термостійкість; стійкість проти зміни тем-
ператури і хімічну стійкість. Цим вимогам не може відповідати
жоден із відомих матеріалів. Найчастіше використовують мате-
ріали для підкладок скла — склокерамічні матеріали (ситал, полі-
кор), кераміку і синтетичний сапфір.
Тонкі плівки товщиною до 10 мкм (резистори, конденса-
тори, з’єднувальні провідники — плівкові й дротяні) виготовляють
методами термічного напилювання, катодного напилювання іонно-
плазмового або магнетронного розпилювання.
Для резистивних плівок використовують різні метали (хром,
тантал, вольфрам, реній), оксиди металів (оксид олова) і металоке-
рамічні сполуки (багатокомпонентний металосиліцидний сплав).
Конденсатори являють собою тришарову структуру: провід-
ник-діелектрик-провідник. Добрим матеріалом для обкладинок
конденсаторів є алюміній, який порівняно з іншими металами не
має коротких замикань.
Як матеріал для діелектричного прошарку конденсаторів викорис-
товують діоксид кремнію 5ІО2, оксид германію СеО, халькогенідне
скло ХГ-44, оксиди алюмінію АІ2О3, танталу ТагОз, титану ТЇО2 та ін.
Матеріали для з’єднувальних провідників і контактних площа-
док товщиною 0,5...5 мкм повинні мати низький електричний опір р,
297
високу корозійну стійкість, добру адгезію до підкладки та до інших
матеріалів плівок. Цим вимогам відповідають двошарові плівки, в
яких один шар має добру адгезію до підкладок (хром, марганець, ти-
тан), а інший — забезпечує паяння або зварювання (мідь, золото,
алюміній).
Підкладки монтують на основу корпусу за допомогою клеїв
або паянням. Для підвищення теплопровідності клеїв до їх складу
вводять порошкоподібний наповнювач. Як наповнювач часто вико-
ристовують нітрид бору, який являє собою діелектричний матеріал
білого або жовтуватого кольору такого складу: 43,6% бору і 56,2%
азоту; сумарний вміст домішок (заліза, кремнію, міді, кальцію, маг-
нію) не перевищує 0,05%. Нітрид бору має монолітну стовпчасту
структуру, високу густину О = 2,24 г/см3; він стійкий проти
більшості хімічних сполук при кімнатній температурі, а при темпе-
ратурі 100°С взаємодіє з розплавленими металами і газами (крім
фтору); питомий електричний опір залежить від температури.
Одержують нітрид бору методом хімічного піролітпчного осад-
ження. Крім порошків з високою теплопровідністю його викорис-
товують як тигельний матеріал, а також для виготовлення високо-
температурних ізоляторів і захисних покриттів.
Безкорпусні навісні компо-
ненти закріплюють на платі
також за допомогою клеїв або
паянням низькотемпературни-
ми м’якими припоями.
В якості безкорпусних на-
вісних компонентів використо-
вують кристали (діоди, транзис-
тори, інтегральні мікросхеми),
мікроконденсатори і резистори.
Приєднай н я виводів
навісних компонентів до кон-
тактних площадок плати і до
внутрішніх виводів корпусу
здійснюють гнучкими провід-
никами із золота, нікелю паян-
ням або термокомпенсійним
зварюванням, а також із алю-
мінію ультразвуковим зварю-
ванням.
Гібридно-плівкові інтеграль-
ні схеми герметизують у
металоскляні або металокера-
мічні корпуси паянням або зва-
рюванням (рис. 7.4).
Рис. 7,4. Гібридна мікросхема:
1 — активні компоненти; 2 — контактний
вивід; 3 — кришка корпусу; 4 — припій; 5 —
ситалові підкладка з пасивною частиною
схеми; 6 — керамічна основа; 7 — основа
корпусу
298
Для провідних частин корпусів (основ, кришок, виводів,
вивідних рамок) застосовують чисті метали або сплави на основі
нікелю і заліза.
Нікель — це метал сріблясто-сірого кольору з сильним метале-
вим блиском; у природі поширені ший за мідь і зустрічається в
сірчаних, силікатних і сірчаномиш’якових рудах.
При кімнатній температурі хімічно малоактивний, а при темпе-
ратурі вище 400°С окиснюється в присутності кисню.
Нікель легко протягується і механічно обробляється. В атмо-
сфері водню піддається паянню твердими (як правило, срібними) і
м’якими припоями, добре зварюється методами контактного зварю-
вання. Водень при підвищенні температури добре розчиняється в
нікелі, дифундує з високою швидкістю і легко виділяється із нього
при нагріванні у вакуумі. Для виготовлення деталей корпусів вико-
ристовують нікель марки НП2 у вигляді холоднокатаної стрічки
товщиною від 0,1 до 2 мм і шириною до 300 мм, а також з дроту.
Нікелевий дріт використовують для виготовлення виводів кор-
пусів. Випускається випалений (м’який) і невипалений (твердий)
дріт діаметром від 0,03 до 12 мм з відносним видовженням 25%. Має
гладку поверхню, без забоїн, тріщин, бульбашок, раковин, що доз-
воляє одержувати вакуумщільні металоскляні спаї.
Ковар — сплав нікелю 28,7...29,2%, кобальту 17,3... 17,8% і заліза —
решта. Має малу теплопровідність, порівняно близьку до тепло-
провідності скла, і високий питомий електричний опір. Це дозволяє
використовувати електрозварювання для з’єднання деталей із кова-
ру, нікелю і сталі. Він добре покривається різними металами галь-
ванічними і хімічними способами.
Для ізоляції виводів метал оскляних корпусів використовують
тугоплавке боросилікатне скло у вигляді склотаблеток, склопо-
рошків або скляних трубок (капілярів).
Використовуються також металокерамічні корпуси. Кераміка —
це твердий щільний матеріал, який одержують спіканням неорганіч-
них солей з мінералами і оксидами металів. Вихідні матеріали поді-
ляють на непластичні (кристалоутворюючі), до яких відносять неор-
ганічні солі (хлористий алюміній, хлористе залізо, хлористий маг-
ній), мінерали (кварц, глинозем, тальк), оксиди металів (цирконію,
барію, кальцію, магнію, титану), карбонати та на пластичні (глинисті
матеріали, які полегшують оформлення заготовок і деталей).
Керамічні матеріали складаються з кристалічної, скловидної і
газової фаз. При металізації кераміки, яка дозволяє спаювати ке-
рамічні деталі використовують чисті порошки тугоплавких металів
(молібдену, вольфраму) або суміші порошків цих металів з порош-
ками заліза, марганцю, міді, а також порошків карбідів. Залежно від
застосованих для металізації матеріалів, розрізняють молібденову,
молібден-марганцеву і карбідну технологію.
299
При молібденовій технології застосовують молібденову пасту з \
невеликими добавками заліза.
При молІбден-марганпевій технології використовують пасту, *
яка складається із 55% металічного молібдену, 17,5% марганцю,
23% оксид}7 молібдену, 4,5% порошкового скла, 20 мл в’яжучої речо-
вини і 22,5 мл амілацетату на 100 г шихти.
При карбідній металізації використовують пасти із сумішей по-
рошків монокарбіду титану, вольфраму, молібдену, а також боридів
тугоплавких металів з порошками карбонільного заліза, нікелю і
кобальту.
Для контролю герметичності на малі протікання використову-
ють гелій, елегаз, на великі — етиленгліколь, уайт-спірит.
Товстоплівкові мікросхеми. Матеріалом для підкладок тов-
сто плівкових мікросхем є високоглиноземна кераміка (переважно
марки 22ХС), яку одержують литтям під тиском або пресуванням з
подальшим випалом.
У потужних гібридних схемах застосовують підкладки із окси-
ду берилію, теплопровідність яких у 9 разів вища, ніж у глинозем-
ної кераміки. Така кераміка має низьку міцність, високу вартість і
високу токсичність берилію, що утруднює її обробку.
Підкладки мають прямокутну форму з мінімальною товщиною
0,6 мм. Мінімальна площа підкладки становить 6 мм2, максималь-
на — 500 мм2.
Для одержання товстих плівок, що потребують розсіяння вели-
кої потужності, використовують провідні, резистпвні, діелектричні
й лудильні пасти, які наносять ракелем через трафарет.
Провідні і резистивні пасти описані в підрозділі 3.7.2.
Діелектричні пасти застосовують для створення ізоляційних
шарів і конденсаторів. Вони складаються із скла з керамічним на-
повнювачем. Такі пасти витримують багаторазову термообробку,
але одержані з них шари завдяки керамічному наповнювачу мають
значну пористість. Пористість ізоляційних шарів усувають викори-
станням паст, що містять 20...30% скла з використанням в якості на-
повнювача титанату барію.
Для захисту резисторів і конденсаторів від впливу вологи застосо-
вують спеціальні покриття (глазурі). Як глазурі використовують лег-
коплавкі стекла, які не впливають на величину електричного опору
резисторів. Лудильні пасти складаються із низькотемпературного
припою і органічної в’яжучої речовини. До складу органічної в’яжучої
речовини входить флюс на основі каніфолі. Наносять лудильні пасти
на контактні площини трафаретною печаттю. В процесі оплавлення
пасти основна частина в’яжучої речовини випаровується і вигоряє.
До трафаретів ставляться вимоги, що визначаються умовами їх
експлуатації: жорсткість і пружність, висока частота обробки по-
верхні для щільного прилягання до підкладки, хімічна стійкість.
300
Застосовують сітчасті і фольговані трафарети.
Сітчасті трафарети виготовляють із нейлону або нержавіючого
дроту діаметром 0,04...0,07 мм. Фольговані трафарети (металеві ма-
ски) виготовляють із біметалів* (бронза-нікель) товщиною, що
дорівнює товщині шару пасти. Після нанесення паста спікається в
конвеєрних печах з кварцевим муфелем**.
Монтажні операції, герметизацію і контроль герметичності ве-
дуть з використанням тих самих процесів, що і для тонкоплівкових
інтегральних мікросхем.
Багатокристалічні великі інтегральні схеми (БВІС). Конструк-
тивною основою БВІС є комутаційна плата з багаторівневою роз-
водкою, плівковими пасивними елементами і навісними активними
елементами. Як активні елементи застосовують безкорпусні інтег-
ральні мікросхеми, які в 70 разів легші і займають у ЗО разів меншу
площу, ніж їх аналоги, які мають корпуси.
Комутаційні плати можуть бути виконані на основі плівкової
технології (полікор, сетал), багатошарової кераміки, поліамідної
плівки.
За тонкоплівковою технологію одержують комутаційні плати, які
мають 1...2 рівні комутації. Як провідний матеріал використовують,
як правило, алюміній, а для міжшарової ізоляції — поліамідний лак
ПАК-1, який наносять на плату в рідкому стані, і після полімеризації
і високотемпературного випалу утворюють поліамідну плівку.
Як навісні компоненти використовують безкорпусні інтегральні
схеми з дротяними або пелюстковими алюмінієвими проводами.
Монтажні операції, герметизація і контроль герметичності ана-
логічні тим, які використовують для гібридно-плівкових ІМС.
7.3. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ПРИСТРОЇВ
З ПЕЧАТНИМ МОНТАЖЕМ
Печатні плати є одним із монтажних елементів електронних
приладів, які мають певні переваги порівняно з об’ємним монтажем.
Печатною платою називається матеріал основи, яка вирізана за
розміром і містить необхідні отвори і хоча б один провідний рису-
нок. Печатна плата з нанесеними компонентами показана на рис. 7.5.
Основними виводами печатних плат є односторонні (ОПП),
двосторонні (ДПП), багатошарові (БПП), гнучкі печатні плати
(ГПП) і гнучкі печатні кабелі (ГПК).
* Металевий матеріал, який складається із двох шарів різнорідних ме-
талів І сплавів (від латин. Ьі — дво...).
**3амкнена камера або посудина із вогнетривкого матеріалу або жаро-
тривкої сталі, в якій розміщуються нагрівальні або випалювальні вироби з
метою збереження їх під впливів продуктів горіння (від кім. ми^еі — піч).
ЗОЇ
Основи печатних плат
виготовляють із нефольго-
ваних або фольгованих ша-
рових пластиків, які за ти-
пом матеріалу наповнювача
поділяють на гетинакс
(папір), текстоліт (бавовня-
на тканина), склотекстоліт
(склотканина) і скломат
(скловолокно) (див. 5.2.4.).
Печатні плати виготов-
ляють прямокутної форми.
Максимальний розмір будь-
якої із сторін не повинен пе-
ревищувати 470 мм. При
збільшенні розмірів, плат
знижується їх жорсткість і
вібростійкість. Заготовки
Рис. 7.5. Печатна плата
з навісними компонентами:
1 — лицева сторона; 2 — радіоелементи;
З — лицева планка
печатних плат відрізають з припуском за контуром дисковою фре-
зою, на дискових або гільйотинних ножицях. У процесі різання
інструмент охолоджують стиснутим повітрям, а пил відсмоктують.
Остаточний контур плати одержують вирубкою або фрезеруванням
після виготовлення печатних провідників.
Заготовки фіксують за допомогою фіксуючих отворів, які одер-
жують свердлінням або пробиванням. Пробивання, як правило, за-
стосовують при товщині матеріалу до 0,5 мм; викопують на криво-
шипних пресах або спеціальних пристроях. Монтажні отвори одер-
жують свердлінням за допомогою кондукторів з твердого сплаву
без застосування охолоджувальної рідини. Для цього заготовки
збирають у пакет товщиною не більше 4.5 лем і свердлять на верста-
тах з числовим програмним керуванням.
Як провідний матеріал для печатних провідників в основному
використовують електролітичну мідь з вмістом домішок не вище
0,05%, граничним видовженням 5...6% і товщиною від 5 до 105 мкм.
Електролітичну мідь додатково оброблюють за допомогою зачи-
щення щітками, шліфуванням або поліруванням.
При виготовленні багатошарових печатних плат поверхню міді,
яка повинна бути зв’язана ізоляційним матеріалом, часто оксидують
для покращення зчеплення між мідною фольгою і матеріалом основи.'
Рідко використовують катану фольгу з більш високим видов-
женням, що необхідно для гнучких печатних плат. Якість катаної
фольги часто погіршується через вплив механічних включень.
Для одержання необхідного рисунка провідників використову-
ють фотодруку вапия з використанням фотошаблонів, яке являє со-
бою спосіб нанесення рисунка печатних провідників і контактних
302
площадок на матеріал основи, який покривають фоторезистом, екс-
понують через фотошаблон, задублюють, проявляють і травлять.
Фоторезисти — це тонкі плівки органічних розчинів, яким при-
таманна властивість після експонування полімеризуватися та пере-
ходити у нерозчинний стан. За способом утворення рисунка фото-
резисти поділяють на негативні та позитивні.
Рідкі фоторезисти наносять зануренням,
поливанням з центрифугуванням, накату-
ванням ребристим роликом.
Монтажні отвори металізують хімічним
або гальванічним способом. Процес металі-
зації отворів складається Із таких основних
операцій:
сенсибілізації, яка проводиться в роз-
чині двохлористого олова, соляної кислоти і
металевого олова протягом 5...7 хв з подаль-
шим промиванням у дистильованій воді; в
результаті на поверхні стінок отворів утво-
рюється плівка іонів двохлористого олова,
яка є відновником для паладію;
активізації, яка проводиться у водному
розчині двохлористого палладію і аміаку
протягом 5...7 хв; в результаті утворюється
металевий паладій, який слугує центром
кристалізації при хімічному мідненні;
хімічного міднення — це відновлення
міді на активованих поверхнях із розчину, в
який входять солі міді, нікелю, формаліну,
соди та ін.;
гальванічного міднення, яке вимагає за-
мкнутого контура провідних покриттів; ос-
танні утворюють за допомогою технологічних
провідників, прошивання отворів мідним
дротом або при застосуванні спеціальних ра-
мок; мідь нарощують у сірчанокислому, боро-
фтористо-водневому та інших електролітах;
гальванічного осадження сплаву олова-
свинець з метою запобігання провідного ри-
сунка при травленні і забезпечення доброго
паяння;
травлення включає попереднє очищення,
травлення металу, очищення після травлення
і видалення фото резистор а; застосовують
травлення печатних плат з рисунком, трав-
лення забризкуванням, струминне травлення.
д
Рис. 7.6. Схеми
установки інтегральних
схем з планарними
виводами на печатну
плату:
а — з двох сторін плати; б—
з однієї сторони плати; & —
на прокладку; г — між плата-
ми; 9— в отворах плати
303
Рис. 7.7. Схеми установки Інтегральних схем зі штировими виводами на печатну плату:.
а — без формовки виводів; б — з формовкою виводів; е — на прокладку
Перед встановленням на печатну плату виводи навісних дис-
кретних елементів лудять, формують і обрізають. Деталі або мікро-
схеми з корпусами з планарними виводами встановлюють з
фіксацією на клей або без фіксації з подальшим приєднанням ви-
водів до контактних площадок плати пайкою (рис.7.6). Мікросхеми
зі штирковими виводами встановлюються в монтажні отвори з по-
дальшим паянням (рис. 7.7).
Контрольні питання
1. Які матеріали називаються абразивними, їхні властивості?
2. 3 яких матеріалів виготовляють шліфувальники і полірувальники?
3. Які матеріали використовують для видалення забруднень з
підкладок?
4. Які ставлять вимоги до матеріалів для підкладок гібридно-плівко-
вих І багатокристальнпх інтегральних схем?
5. Які основні властивості матеріалів, що застосовуються для виго-
товлення корпусів мікросхем?
6. Які матеріали використовують для виготовлення печатних плат?
7. Якими матеріалами металізують монтажні отвори?
304
ОСНОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ
В - магнітна індукція
Вг - залишкова магнітна індукція
В3 - магнітна індукція насичення
С - ємність конденсатора
с ~ швидкість світла
В - густина матеріалу
сі - діаметр
Е - напруженість електричного поля
е ' - заряд електрону
/ - частота
Н - напруженість магнітного поля
Нс - коерцитивна сила
Якр - критична намагніченість магнітного поля
к - постійна Планка, товщина, висота
І - сила струму
,/ - густина струму
]п - густина електронної складової струму
]р - густина діркової складової струму
А'1 ~ температурний коефіцієнт
Ам - магнітна сприйнятливість
і - відстань
І - довжина
М - молекулярна маса, намагніченість
М$ - намагніченість насичення
т - маса
п - концентрація електронів у напівпровідниках
р - поляризованість, концентрація дірок у напівпровідниках
7 - заряд
А - опір
305
5 - площа
Т - термодинамічна температура
ТК1 - температурний коефіцієнт лінійного розширення
ТКр - температурний коефіцієнт питомого електричного опору
і - температура за шкалою Цельсія
V - електрична напруга
1/Пр - пробивна напруга
- константа магнітострикції
IV ~ енергія
ЇГі - енергія Іонізації
И7Г - гігроскопічність
Пс ~ зона провідності напівпровідника
Му - валентна зона напівпровідника
ДЇУ - заборонена зона напівпровідника
аа ™ температурний коефіцієнт магнітної проникності
у - питома електропровідність
Ук - питома електронна електропровідність напівпровідника
Чр - питома діркова електропровідність напівпровідника
увлас~ питома власна електропровідність напівпровідника
удом - питома домішкова електропровідність напівпровідника
Ут - коефіцієнт електропровідності
8 - кут діелектричних втрат
є - відносна діелектрична проникність
X - довжина хвилі падаючого світла, теплопровідність
ц - магнітна проникність
цО - магнітна постійна
дп - рухливість електронів у напівпровідниках
ар - рухливість дірок у напівпровідниках
р - питомий електричний опір
р/г - питомий поверхневий електричний опір
ру - питомий об’ємний електричний опір
Пр - границя міцності при розтягуванні
ост - границя міцності при стисненні
озг - границя міцності при згинанні
306
Список використаної літератури
।
।
і
1. Справочник по злектротехническим материалам: В 3 т. Т.1/ Под
редакцией Ю. В. Корицкого, В. В. Пасинкова, В. М. Тареева. — 3-є изд.,
перераб. — М.: Знергоатомиздат, 1986.
2. Справочник по злектротехническим материалам: В 3 т. Т.2/ Под
редакцией Ю. В. Корицкого, В. В. Пасинкова, Б. М. Тареева. — 3-є изд.,
перераб. — М.: Знергоатомиздат, 1987.
3. Справочник по злектротехническим материалам: В 3 т. Т.З/ Под
редакцией Ю. В. Корицкого, В. В. Пасинкова, Б. М. Тареева. — 3-є изд.,
перераб. — М.: Знергоатомиздат, 1988.
4. Бер А. Ю., Миискер Ф. Е. Сборка полупроводниковпх приборов
и интегральньїх микросхем: Учеб. для сред. проф.-техн. училищ. — 2-е
изд., перераб. и доп. — М.: Вьісш. шк., 1981. — 284 с.
5. Гимпельсон В.Д., Радионов 10. А. Тонкоплепочньїе микросхемьт
для приборостроения и вьічислптельной техникп. — М.: Машиностро-
енне. 1976, — 328 с.
6. Калинин Н. Н., Скибинский Г Л., Новиков П. П. Злектрорадиома-
териальї: Учеб. для техн. / Под ред. Н.Н.Калинииа. — М.: Вьісш. шк.,
1981.- 293 с.
7. КурносовА. И. Материальї для полупроводниковьіх приборов и ин-
тегральньїх микросхем: Учеб. пособ. для сред. проф.-тех. училищ. — 2-е
изд., перераб. и доп. — М.: Вьісш. шк., 1980. — 327 с.
8. Никулин Н. В. Справочник молодого злектрика по злектричес-
ким машинам и изделпям. — М.: Вьісш. шк., 1982. — 216 с.
9. Никулин Н. В. Електроматериаловедешіе. — М.: Вьісш. шк.,
1984.-75 с.
10. Ростовиков В. И., ЧертокБ. Е. Електрорадиоматериальї: Пособ.
для техн. — К.: Вища шк., 1975. — 283 с.
11. Сена Л. А. Единицьі физических величин и их размерности. —
М.: Наука, 1977.
12. Ушаков Н. Н. Технология производства ЗВМ: Учеб. для студ.
вузов. — 3-є изд., перераб. и доп. — М.: Вьісш. шк., 1991. — 416 с.
13. Електрорадиоматериальї: Учеб. пособ. для студ. вузов/5. М. Та-
реев, Н. В. Короткова, В. М. Петров, А. А. Лреображенский; Под ред.
Б. М. Тареева. — М.: Вьісш. шк., 1978. — 336 с.
307
ДОДАТКИ
Додаток
Одиниці вимірювання та перевідні коефіцієнти
Величина Одиниці СІ Співвідношення одиниць
назва позна- чення
Температура кельвін К ГС = ТК-273,15
Маса грам г 1 фунт = 409,5 г; 1 т = 1000 кг
Довжина метр м 1А° = 10’1см = 0,1 нм (А-аигстрем); 1 дюйм = 25,4 мм; 1 фут - 30,48 см
Об’єм, місткість кубіч- ний метр м3 1 л = 1 дм3
Час секунда с 1 хв = 60 с; 1 год = 3 600 с; 1 доба = 86 400 с
Сила ньютон Н 1 кгс = 9,807 Н
Ударна в'язкість — Дж/см2 1 Дж/см2 = 0,9807 кгс-м/с м2
Робота, енергія, кількість теплоти джоуль Дж .1 Дж = 1 Нм; 1 кгем = 9,807 Дж; 1 кал = 4,185 Дж
Потужність ват Вт 1 Вт = 1 Дж/с; 1 к.с. = 735,5 Вт
Тиск, напруга, границя міцності паскаль Па 1 Па = 1н/м2; 1 кгс/мм2 = 9,807 МПа; 1 кгс/см2“ 98,07 КПа = 0,09807 МПа — 105 Па = 1 бар; 1 мм вод.ст. = 1 кгс/м2 = 9,807 Па; 1 мм.рт.ст. = 133,3 Па
Сила стру- му Напруга Частота Опір ампер вольт герц ом А В Гц Ом
308
Додаток 2
Множники і приставки для утворення похідних одиниць СІ
Множник Приставка Позначення
російське міжнародне
1012 тетра т Т
109 гіга г С
106 мета м м
і о3 КІЛО к к
ю- гскто г и
10і дека да сіа
104 деци д й
10'3 санти с с
10'3 мі лі м т
10'6 мікро мк Ц
10'9 иано ГЕ N
(О42 піко П Р
309
Додаток ЗІ
Кольори мінливості при нагріванні сталі /
Температура, ’С Колір свічення при нагріванні
1300 Сліпучо-білий
1200 Яскраво-жовтий
1100 Світло-оранжевий
1000 Оранжевий
900 Червоний
850 Яскраво-червоний
800 Вишнево-червоний
700 Темно-вишяево-червоний
600 Темно-червоний (початок свічення)
310
Додаток 4
Визначення хімічного складу сталі за допомогою проби на іскру
Метал Колір і характеристика іскрового пучка
Низьковуглецева сталь (до 0,2% С) Світло-жовті рівні світлові лінії, продовгу- ваті краплеподібні іскри
Середньовуглсцева сталь (0,5% С) Світло-жовті світлові полоси, розгалужені з рідким утворенням маленьких зірочок
Вуглецева інструменталь- на сталь (0,9% С) Світло-жовті іскри з чисельнними проме- нистими зірочками
Тверда вуглецева інстру- ментальна сталь (1,2% С) Яскраві пучки іскор складаються з ясно- жовтих часто розгалужуваних зірочок
Марганцева сталь (10-14% Мп) Біло-жовті яскраві пучки променів, сильно розгалужені перпендикулярно до ліній іскор
Швидкорізальна сталь (10% V/, 4% Сг, 1% С) Темно-червоні перервні лінії іскор, розга- лужені на більш ясні зірочки
Вольфрамова сталь (1,3% XV) Окремі темно-червоні лінії іскор, розгалу- жені на більш ясні жовті зірочки
Кремниста сталь Довгі світло-жовті світлові лінії, закінчую- ться краплями, розділяються пучками бі- ло-жовтих іскор
Метал Колір і характеристика іскрового пучка
Хромиста сталь Темно-жовтий світловий пучок розділений червонуватими лініями іскор з кульоподіб- ними кінцями
Хромо-нікелева конструк- ційна сталь (3-4% N1; 1% Сг) Жовті подовгуваті, краплеподібні лінії іскор із розділяючими пучками шипів
311
Р фтор СІ хлор Р фосфор Те телур 8 сірка 8е селен 8і кремній О кисень І йод С вуглець Н водень Вг бром В бор N азот Неметали
-223 -101,3 44,2 453 ІЗ до 170 1415 і і -218,8 137 <О1 о -259,4 2075 -210 Температу- ра плав- лення, ’С Фізі
і оо ОО і Со 280 1012 444,5 688 2600 -183 183 1 -252,8 сл 3860 -195,5 Темпера- тура ки- піння, °С ічні власт
N5 1,11 1,57 ОО № 6,25 1,96 4,6 2,4 1,12 4,93 3,51 (алмаз) 1 5° ю 3,33 о Густина, г/см2 ивості неме
О Т5 > чорних Умовні по; марках мєте талів
е Кр(К) кольорових значення в іліа і сплавів , Додаток 5
Додаток 6
Властивості хімічних елементів
Елемент Символ Умовне позна- чення в марках металів і сплавів Температура, ’С Густи- на, г/см3 Тепло- провід- ність, Вт/мк Тепло- ємність, Дж/кгк Питомий електрич- ний опір, мкОм • м Температурний коефіцієнт Твер- дість, Нв-107 Па Границя міцності, 6-107 Па
чорних кольо- рових плав- лення кипін- ня електро- опору, 10'3/к лінійного розширен- ня, 1О"6/К
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Срібло Ав Ср 960,8 2163 10,5 4255 234 0,0163 4,1 19,1 25 18
Алюміній Аі ІО А 660 2520 2,70 2,38 917 0,0267 4,5 23,5 15 5
Золото Аи - Зл 1063 2860 19,3 315,5 130 0,0220 4,0 14,1 25 14
Барій Ва - 729 2130 3,5 - 285 0,60 - 18
Берилій Вс л В 1287 2470 1,85 194 2052 0,033 9,0 12
Вісмут Ві - 271 1564 9,80 9 124,8 11,7 4,6 13,4 9,4 1,7
Кальцій Са - - 839 1484 1,54 125 624 0,037 4,57 22
Церій Се - - 798 3430 6,75 11,9 188 0,854 87 8
Кадмій Ссі Кд Кд 321 767 8,64 103 233,2 0,073 4,3 31 20 6,8
Кобальт Со К к 1492 2930 8,9 96 427 0,0634 6,6 12,5
Хром Сг X X 1860 2680 7,1 91,3 461 0,132 2,14 6,5 112 41
Цезій Сз - - 28,5 670 1,87 36,1 234 0,20 4,8 97
Мідь Си д м 1083,4 2560 8,96 397 386 0,0169 4,3 17 45 23
Залізо Ре ж 1536 2860 7,84 78,2 456 0,101 6,5 12,1 — —
Продовження додатку 6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Галій Са 29,7 2205 5,91 41,0 377 - - 18,3 2,5 3,5
Германій СгС 937 2830 5,32 56,4 310 -890 - 5,75 - -
Гафній Ні’ 2227 4600 13,1 22,9 147 0,322 4,4 6,0 145 42
Ртуть Н£ -38,87 357 13.55 8,65 138 0,959 1,0 61 - -
Індій Іп 156,4 2070 7,3 80,0 243 0,088 5,2 24,8 0,9 0,3
Іридій Іг 2454 4390 22,4 146,5 130,6 0,051 4,5 6,8 212 22
Калій К 63,2 759 0,86 104 754 0,068 5,7 83 - -
Літій Гі 181 1342 0,534 76,1 3517 0,0929 4,35 56 - -
Магній м8 ш Мг 649 1090 1,74 155,5 1038 0,042 4,25 26,0 ЗО 12
Марганець Ми г Мц 1244 2060 7,4 7,8 486 16,0(а) - 23 -
Молібден Мо м 2615 4610 10,2 137 251 0,057 4,35 5,1 181 98
1 Іатрій На 97,8 883 0,97 128 1227 0,047 5,5 71 - -
Ніобій N5 Б Нб 2467 4740 8,6 54,1 268 0,160 2,6 7,2 73,5 34
Нікель Ні II II 1455 2915 8,9 88,5 452 0,069 6,8 13,3 90 38
Осмій 08 3030 5000 22,5 87.5 130 0,088 4,1 4,57 350 -
Свинець РЬ с 327,4 1750 11,68 34,9 129,8 0,206 4,2 29,0 5 1,4
Паладій Псі 1552 2960 12.0 75.5 247 0,108 4,2 11,0 40 14
Платина Рі Пл 1769 3830 21,45 71,5 134,4 0,1058 3,92 9.0 ЗО 15
Радій Ка 700 1500 5 - - - -- . -
Продовження додатку 6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Рубідій кь 38,8 688 1,53 58,3 356 0,121 4,8 9,0 —
Реній Ке 3180 5690 21,0 47,6 138 0,187 4,5 6,6 200 111
Родій КЬ 1966 3700 12,4 149 243 0,047 4,4 8,5 136 55
Рутеній Ки 2310 4120 12,2 116,3 234 0,077 4,1 9,6 216 50
Сурма 8Ь Су 630,5 1590 6,68 23,8 209 0,401 5,1 8-11 — —
Кремній Зі с Кр 1412 3270 2,34 138,5 729 10-10000 - 7,6 - —
Олово Зп о 231,9 2625 7,3 73,2 22,6 0,126 4,6 23,5 5,1 2,75
Стронцій Зг 770 1375 2,6 - 737 0,23 - 100 — —
Тантал Та тт 2980 5370 16,6 57.55 142 0,135 3,5 6,5 123 39
Торій ТЬ 1755 4290 11,5 49,2 100 0,14 4,0 11,2 — —
Титан Ті т Ти 1667 3285 4.5 21,6 528 0,54 3,8 8,9 207 45
Талій Те 304 1473 11,85 45,5 130 0,166 5,2 ЗО 2,6 1,2
Ванадій V ф Вам 1902 3410 6,1 31,6 498 0,196 3,9 8,3 63 22
Цинк 2п ц 419,5 911 7,14 119,5 394 0,0596 4,2 31 40 14
Вольфрам XV в в 3400 5555 19,3 174 138 0,054 4,8 4,5 250 147
Цирконій Хг 1852 4400 6,49 22,6 289 0,44 4,4 5,9 67 22
ЗМІСТ
Передмова................................................ З
Розділ 1. Загальні відомості про будову речовини ........ 4
1.1. Основні типи хімічного зв’язку ..................... 4
1.2. Властивості речовин у різних агрегатних станах.... 8
Контрольні питання ..................................... 14
Розділ 2. Вибір матеріалів за їхніми властивостями..... 15
2.1. Основи вибору матеріалів .......................... 15
2.2. Електричні властивості матеріалів ................. 16
2.3. Магнітні властивості матеріалів.................... 19
Контрольні питання ..................................... 23
Розділ 3. Провідникові матеріали........................ 24
3.1. Класифікація провідникових матеріалів ............. 24
3.2. Властивості провідникових матеріалів............... 25
3.2.1. Механічні властивості провідникових матеріалів .. 26
3.2.2. Фізико-хімічні властивості провідникових матеріалів ЗО
3.3. Найпоширеніші матеріали з високою провідністю..... 34
3.3.1. Мідь та її сплави........................... 34
3.3.2. Алюміній та його сплави .................... 38
3.4. Матеріали з високим опором ........................ 40
3.4.1. Провідникові резистивні матеріали .......... 40
3.4.2. Плівкові резистивні матеріали............... 44
3.4.3. Матеріали для термопар...................... 47
3.5. Благородні метали та їхні сплави................... 48
3.6. Тугоплавкі метали ............................... 51
3.7. Провідникові матеріали різного призначення ........ 55
3.8. Надпровідники та кріопровідники ................... 61
3.8.1. Надпровідники .............................. 61
3.8.2. Кріопровідники ............................. 64
316
3.9. Неметалеві провідникові матеріали ................. (>4
3.9.1. Матеріали для електровугільних виробів...... 64
3.9.2. Провідні та резистивні композиційні матеріали ... 68
3.9.3. Контактоли .................................. 72
3.10. Матеріали для рухомих контактів.................... 75
3.10.1. Матеріали для ковзних контактів.............. 76 г
3.10.2. Матеріали для розмикаючих контактів......... 76
3.11. Припої............................................. 80
3.12. Металокераміка .................................... 84
3.13. Металеві покриття.................................. 86
3.14. Провідникові вироби................................ 89
Контрольні питання ...................................... 98
Розділ 4. Напівпровідникові матеріали.................... 99
4.1. Властивості напівпровідників........................ 100
4.2. Основні вимоги до напівпровідникових матеріалів .... 112
4.3. Прості напівпровідники............................. 114
4.3.1. Германій Се ................................ 115
4.3.2. Кремній Зі ................................. 119
4.3.3. Селен 5е.................................... 127
4.3.4. Телур Те ................................... 130
4.4. Напівпровідникові сполуки.......................... 131
4.4.1. Складні напівпровідники типу А1УВІУ......... 132
4.4.2. Складні напівпровідники типу А1ПВУ ......... 134
4.4.3. Складні напівпровідники типу АПВУІ ......... 139
4.4.4. Складні напівпровідники типу АІУВУІ
(халькогеніди свинцю) ............................. 141
4,4.5. Складні напівпровідники типу АрҐ/........... 142
4.4.6. Оксидні напівпровідники .................... 143
4.4.7. Склоподібні напівпровідники................. 144
4.4.8. Органічні напівпровідники................... 145
Контрольні питання ..................................... 147
Розділ 5. Діелектричні матеріали........................ 148
5.1. Класифікація діелектричних матеріалів ........... 148
5.2. Електричні властивості діелектричних матеріалів.... 149
5.2.1. Поляризація діелектриків ................... 149
5.2.2. Електропровідність діелектриків............. 154
5.2.3. Діелектричні втрати в діелектриках.......... 156
5.2.4. Пробій діелектриків ........................ 157
5.3. Механічні властивості............................ 158
317
5.4. Теплові властивості ................................ 160
5.5. Вологоємнісні властивості........................... 164
5.6. Фізико-хімічні властивості ......................... 166
5.7. Тверді органічні діелектрики........................ 168
5.7.1. Полімеризаційні синтетичні полімери.......... 169
5.7.2. Поліконденсаційні синтетичні полімери........ 177
5.7.3. Електроізоляційні пластмаси.................. 181
5.7.4. Шаруваті пластики і фольговані матеріали .... 185
5.7.5. Плівкові електроізоляційні матеріали......... 188
5.7.6. Електроізоляційні матеріали на основі каучуків ... 191
5.7.7. Лаки та емалі................................ 195
5.7.8. Компаунди.................................... 203
5.7.9. Флюси........................................ 205
5.8. Тверді неорганічні діелектрики ..................... 206
5.8.1. Скло......................................... 206
5.8.2. Ситали....................................... 211
5.8.3. Кераміка..................................... 213
5.8.4. Неорганічні електроізоляційні плівки......... 218
5.8.5. Слюда і матеріали на її основі .............. 222
5.9. Рідкі діелектрики................................... 224
5.10. Газоподібні діелектрики ........................... 231
5.11. Активні діелектрики ............................... 239
5.11.1. Сегиетодіелектрики.......................... 239
5.11.2. П’єзоелектрики.............................. 243
5.11.3. Електрети................................... 246
5.11.4. Діелектрики для оптичної генерації.......... 249
5.11.5. Електрооптичні матеріали.................... 253
Контрольні питання ...................................... 258
Розділ 6. Магнітні матеріали ........................... 259
6.1. Основні характеристики магнітних матеріалів ........ 259
6.2. Класифікація магнітних матеріалів................... 262
6.3. Магнітотверді матеріали............................. 263
6.4. Магнітом’які матеріали.............................. 270
6.4.1. Магнітом’які матеріали для низькочастотних
магнітних полів..................................... 270
6.4.2. Магнітом’які матеріали для високочастотних
магнітних полів..................................... 275
6.5. Магнітні матеріали спеціального призначення ........ 279
Контрольні питання ...................................... 284
318
Розділ 7. Матеріали для виробів електронної техніки.... 285
7.1. Матеріали для напівпровідникових інтегральних
мікросхем............................................. 285
7.2. Матеріали для гібридно-плівкових і багатокристальних
великих інтегальних схем.............................. 297
7.3. Матеріали для пристроїв з печатним монтажем ..... ЗОЇ
Контрольні питання ................................... 304
Основні позначення.................................... 305
Список використаної літератури ....................... 307
Додатки .............................................. 308
319