Автоматическое растормаживание колес: Тормозные устройства колес предназначены для уменьшения длины пробега и улучшения маневрирования ВС при...
Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...
Топ:
Методика измерений сопротивления растеканию тока анодного заземления: Анодный заземлитель (анод) – проводник, погруженный в электролитическую среду (грунт, раствор электролита) и подключенный к положительному...
Оценка эффективности инструментов коммуникационной политики: Внешние коммуникации - обмен информацией между организацией и её внешней средой...
Марксистская теория происхождения государства: По мнению Маркса и Энгельса, в основе развития общества, происходящих в нем изменений лежит...
Интересное:
Что нужно делать при лейкемии: Прежде всего, необходимо выяснить, не страдаете ли вы каким-либо душевным недугом...
Принципы управления денежными потоками: одним из методов контроля за состоянием денежной наличности является...
Уполаживание и террасирование склонов: Если глубина оврага более 5 м необходимо устройство берм. Варианты использования оврагов для градостроительных целей...
Дисциплины:
2017-08-23 | 347 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Кремниевые резистивные сплавы марок РС-4800, РС-3710, РС-3001, РС-1714, РС-1004 предназначены для изготовления методом испарения и конденсации в высоком вакууме тонкопленочных резисторов и различных вспомогательных слоев в изделиях электронной техники.
В марках сплавов буквы РС означают резистивный сплав, две первые цифры - номинальное содержание основного легирующего компонента (Cr), две вторые - номинальное содержание второго легирующего компонента (Ni, Fe).
Многокомпонентные сплавы, состоящие из Si, Fe, Cr, Ni, Al и W (сплавы МЛТ), являются материалами для тонкопленочных резисторов. Эти сплавы обладают высокой стойкостью к окислителям и воздействию различных химических сред. Для увеличения удельного электросопротивления в состав большинства сплавов вводятся оксиды металлов. Резисторы из сплавов МЛТ получают путем термического испарения в вакууме из вольфрамовых испарителей и конденсации пленок на диэлектрической подложке.
Материалы для нагревательных элементов
Металлические сплавы
Для изготовления электронагревательных элементов, длительно работающих на воздухе при температурах 1000¸1300 оС, применяются жаростойкие сплавы высокого сопротивления (из них также делаются проволочные и ленточные резисторы). Жаростойкие сплавы должны иметь малый температурный коэффициент электросопротивления и высокое сопротивление химическому разрушению поверхности (коррозии) под воздействием воздуха или иных газообразных сред при высокой температуре. Они обладают удовлетворительной технологичностью (из них можно получать проволоку, ленты, прутки и другие полуфабрикаты); свариваемостью; достаточной жаропрочностью – способностью выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций, не разрушаясь при высоких температурах.
|
Жаростойкость этих сплавов обеспечивается устойчивостью при высоких температурах образующихся на поверхности материала оксидов и других продуктов газовой коррозии, а также плотностью оксидной пленки, защищающей внутренние слои от дальнейшего окисления. Через оксидную пленку не должна происходить диффузия кислорода, а также диффузия металла в пленку, что равносильно безостановочному окислению глубинных слоев сплава. Металлами, оксиды которых отвечают вышеназванным свойствам, являются Ni, Cr и Al. На их основе производят: хромоникелевые сплавы – нихромы (Х20Н80); хромоникелевые, легированные алюминием (ХН70Ю); железохромоникелевые (Х25Н20); железохромоалюминиевые – хромали (Х23Ю5).
В ряде случаев, при работе печей с агрессивными средами или в окислительной атмосфере, для нагревателей используется платина в виде проволоки или фольги. Рабочие температуры платиновых нагревателей менее 1350¸1400 оС, так как при большем нагреве происходит сильное испарение платины.
В инертных атмосферах часто используются нагреватели на основе чистых тугоплавких металлов: W, Mo, Ta.
Неметаллические материалы
Для изготовления нагревательных элементов электропечей широко используются карбиды и силициды некоторых тугоплавких металлов, например: ZrO2, ZrC, NbC, TaC, HfC и др. Нагревательные элементы из них производят методами порошковой металлургии.
Из неметаллических нагревателей чаще всего применяются силит и глобар, изготовляемые из SiC. Рабочая температура их 1400¸1450 °С со сроком службы при этих температурах 1000¸2000 ч.
В электротермии широко применяется дисилицид молибдена (MoSi2), изделия из которого могут работать в окислительной среде до 1700 °С.
Для изготовления высокотемпературных (1200¸1800 °С) нагревателей электрических печей сопротивления, работающих в инертной атмосфере (например, при получении полупроводниковых материалов), часто используется графит марки ППГ.
|
Термоэлектродные материалы
Термопары применяются в качестве измерительных устройств для измерения температуры в широком интервале. Основные требования, предъявляемые к материалам пары термоэлектродных проводов, – это высокие и стабильные значения термо-эдс в диапазоне рабочих температур. Поэтому химический состав таких проводов должен выдерживаться очень точно (прецизионные сплавы).
Как уже было сказано выше, константан применяется в качестве термоэлектродного материала для создания медь-константановых термопар (диапазон рабочих температур: –250¸300 °С) и компенсационных проводов, например, к отрицательным электродам платинородий-платиновых термопар. Из медно-никелевых сплавов к термоэлектродным относится также копель (МНМц43-0,5); из сплавов на основе никеля - алюмель (НМцАК2-2-1), хромель Т (НХ9,5) и хромель К (НХ9). Хромель Т используется для изготовления хромель-алюмелевых термопар (диапазон рабочих температур –50¸1300 °С), а хромель К - для удлиняющих (компенсационных) проводов. Копель используется, например, для изготовления хромель-копелевых (–50¸800 °С), железо-копелевых (0¸760 °С) и медь-копелевых термопар.
Для измерения высоких температур в инертной среде до 3000 °С широко используются вольфрам-рениевые термопары (W–26 % Re/W и др.). Для работы в агрессивных средах применяются термопары из благородных металлов, например, платинородий-платиновые Pt–10 % Rh/Pt, Pt–13 % Rh/Pt (100¸1600 °С); платинородий-платинородиевая Pt–30 % Rh/Pt–6 % Rh (300¸1800 °С) и другие термопары.
2.2. Основные физические определения и зависимости
Физической константой, характеризующей электрические свойства металла, является его удельное электросопротивлениеr. Величина r определяется природой объекта и не зависит от его формы и размеров. Основой изучения электрических свойств металлов и сплавов является закон Ома, связывающий прямой пропорциональностью разность потенциалов на концах проводника (U) и силу тока (I). Коэффициентом пропорциональности является электрическое сопротивление проводника ( R ):
U = RI, (1)
которое зависит от размеров проводника:
(2)
где l – длина проводника, а S – площадь его поперечного сечения. В международной системе единиц СИ[ R ] = Ом; [r] = Ом . м.
Величина обратная r:
|
(3)
называется удельной электропроводностью и измеряется в (Ом.м)–1.
Носителями электрического тока в металлах являются электроны, которые до некоторой степени могут быть признаны свободными. В соответствии с определением электрического тока как направленного движения электрически заряженных частиц плотность потока электронов (плотность электрического тока) определяется следующим выражением:
, (4)
где e – заряд электрона; n – концентрация электронов; v d – дрейфовая скорость электрона. В свою очередь, дрейфовая скорость пропорциональна напряженности электрического поля, где коэффициент пропорциональности m называется подвижностью:
. (5)
А закон Ома может быть записан как
i = g E. (6)
Подставляя (5) в (4) и сравнивая с (6), получаем, что электропроводность определяется выражением:
g = en m. (7)
В металлах уровень Ферми расположен в разрешенной зоне, и электронный газ сильно вырожден. В этом случае концентрация электронов практически не зависит от температуры и температурная зависимость электропроводности определяется температурной зависимостью подвижности.
Электроны в твердом теле движутся не беспрепятственно, они рассеиваются. Рассеивание будет происходить в том случае, если расстояние между рассеивающими центрами по величине соизмеримо с длиной волны электронов. Электроны рассеиваются на тепловых колебаниях и дефектах кристаллической решетки.
Коллективные колебания атомов в кристалле представляют собой звуковые волны, а соответствующие им возбуждения – кванты звука, или фононы. Таким образом, фонон – квазичастица, являющаяся квантом колебаний кристаллической решетки. Температурная зависимость числа фононов определяется выражением:
, (8)
где – постоянная Планка; n – частота колебаний.
При стремлении температуры к абсолютному нулю в идеальном кристалле число фононов будет стремиться к нулю и удельное электросопротивление также будет стремиться к нулю. Однако реальные кристаллы обладают дефектами строения. Поэтому при низких температурах подвижность определяется рассеянием электронов на дефектах, в основном на точечных (в первую очередь на атомах примеси), так как длина волны электрона в металле ~10–10 м. Таким образом, вблизи абсолютного нуля будет иметь место некоторое остаточное электросопротивление, определяемое рассеянием электронов на атомах примеси.
|
Учитывая, что электронный газ в металле сильно вырожден, выражение для подвижности можно записать так:
, (9)
где m n – эффективная масса электрона; v F и lF – средняя скорость движения и длина свободного пробега электронов с энергией, близкой к энергии Ферми, соответственно. Средняя длина свободного пробега электрона обратно пропорциональна концентрации фононов. При высоких температурах доминирует рассеяние электронов на фононах, и как следует из (8), . Поэтому имеем:
. (10)
Скорость v F от температуры практически не зависит. Подставляя (10) в (9), получаем
. (11)
Подставляя (11) в (7), а затем в (3), получаем, что удельное электросопротивление линейно зависит от температуры (рис. 1):
r T = r 0[1 + a T (T – 273)] = r 20[1 + a T (T – 293)], (12)
где a T – температурный коэффициент электросопротивления.
Рис. 1. Зависимость удельного электросопротивления от температуры
Таблица 1
Средние значения удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента электросопротивления металлов при 20 °С
Металл | r×106, Ом×м | a T, 1/К |
Алюминий Бронза фосфористая Вольфрам Железо Латунь Медь Молибден Никель Олово Свинец Серебро Тантал Хром Цинк | 0,028 0,08 0,055 0,098 0,025 – 0,06 0,0175 0,057 0,100 0,115 0,221 0,016 0,155 0,150 0,059 | 0,0049 0,0040 0,0045 0,0062 0,002 – 0,007 0,0039 0,0033 0,0050 0,0042 0,0041 0,0036 0,0031 0,0030 0,0035 |
Для всех чистых металлов, за исключением переходных, a T» 3,67.10–3 1/K. Аномально изменяется при повышении температуры электросопротивление ферромагнетиков, что обусловлено их спонтанной намагниченностью. Выше точки Кюри показатель r(T) этих материалов изменяется нормальным образом.
Средние значения r20 и a T для ряда металлов приведены в табл. 1.
2.3. Влияние твердого раствора на электросопротивление
Примесные атомы искажают кристаллическую решетку растворителя, а также вступают с ним в химическое взаимодействие. Изменение удельного электросопротивления в результате легирования с образованием твердого раствора можно приблизительно выразить соотношением:
(13)
или для разбавленных растворов:
, (14)
где x – молярная доля растворенного элемента; a x – примесный коэффициент электросопротивления, который возрастает в случае большой разницы между размерами и валентностями атомов растворимого элемента и растворителя. Примеры концентрационной зависимости r приведены на рис. 2, а значения a x для сплавов меди – в табл. 2.
Согласно правилу Матиссена–Флеминга электросопротивление слабоконцентрированного твердого раствора выразится следующим образом:
|
r = r1+r x (15)
где r1 – электросопротивление растворителя (матрицы).
Температурная зависимость r в этом случае в соответствии с выражением (12) может быть записана так:
. (16)
а
б
Рис. 2. Влияние примесей на электропроводность меди
Таблица 2
Примесные коэффициенты электросопротивления для сплавов меди при 20 С
Легирующий элемент | a x, 10–6 Ом×м |
Ag Al Fe Ni Pb Si Sn Zn | 0,2 1,6 9,5 1,2 0,7 6,5 1,5 0,2 |
Значения a Tx ×104 в интервале 0¸100 °С для твердых растворов меди с различными элементами представлены в табл. 3.
Таблица 3
Средние значения концентрационно-термических коэффициентов
для твердых растворов меди
Элемент | Be | Mg | Al | Ga | In | Si | Ge | Sn | P | As |
, 1/К | 3,6 | –2,3 | 1,6 | 1,6 | 2,3 | 1,4 | 1,2 | 1,55 | 0,8 | 0,85 |
Элемент | Sb | Ti | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Rd | Pd | Pt |
, 1/К | 0,95 | 1,8 | –3,2 | –2,7 | –1,7 | 0,3 | 1,2 | 0,8 | –0,3 | 0,8 |
Упорядочение твердого раствора (образование сверхструктур) приводит к уменьшению r (рис. 3).
В упорядоченной структуре резко возрастает длина свободного пробега электрона. Сплошная кривая (рис. 3) – сплав АuCu3 после закалки (неупорядоченный); штриховая – сплав АuCu3 после отжига (упорядоченный).
Рис. 3. Влияние упорядочения на удельное электросопротивление.
2.4. Влияние наклепа на электросопротивление
Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала в результате пластической деформации. В результате наклепа происходит искажение кристаллической решетки, и возникают дефекты, которые приводят к дополнительному рассеянию электронов. Если дополнительное (остаточное) сопротивление наклепа обозначить как rh, то выражение (15) можно переписать так:
r = r1 + r x + rh. (17)
Опыт показывает, что rh не зависит от температуры, т.е. не зависит от степени деформации, и выражение (16) остается в силе. Когда исчезает наклеп, например, при высоких температурах, то исчезает и слагаемое rh.
Отметим, что увеличение размера зерна приводит к уменьшению r, что связано с уменьшением площади межзеренных границ.
Из вышеизложенного очевидно влияние термообработки на электросопротивление. Закалка, фиксируя высокотемпературное (обычно более дефектное) состояние, приводит к возрастанию электросопротивления. Отжиг, снимающий наклеп (возврат, полигонизация, рекристаллизация), и отжиг, увеличивающий зерно, должны приводить к уменьшению сопротивления и т.п.
Заметим, что для ряда сплавов, характеризующихся внутрикристаллической неоднородностью твердого раствора, обнаруживается падение электросопротивления с ростом деформации (соответственно r возрастет при отжиге и отпуске). Это характерно, например, для медно-никелевых, железоникелевых и никель-хромовых сплавов.
2.5. Влияние химических соединений
Сопротивление химического соединения выше, чем составляющих его элементов. Это связано с тем, что в результате химического взаимодействия (образование ковалентных или ионных связей) уменьшается число свободных электронов – носителей тока в металле. В результате химического взаимодействия металлическая проводимость вообще может исчезнуть.
Влияние электронных соединений и фаз внедрения на электропроводность иногда схоже с влиянием химического соединения, т.е. приводит к уменьшению проводимости, но возможна и противоположная картина, когда проводимость возрастает.
2.6. Электросопротивление гетерогенных металлических сплавов
Большое влияние оказывает в данном случае размер зерна, а следовательно, дисперсность, а также различия в структурах фаз. Однако если влиянием данных факторов пренебречь, то для отожженного нетекстурированного крупнозернистого сплава с небольшой разницей в проводимости компонентов характерна линейная зависимость электропроводности от объемной концентрации (рис. 4).
Рис. 4. Изменение электропроводности
в сплавах с ограниченной растворимостью
в твердом состоянии
Влияние наклепа и последующего отжига на электросопротивление сплавов, имеющих гетерогенную структуру, определяется не только взаимодействием или устранением искажений пространственной решетки, но и изменением взаимного расположения структурных составляющих. В результате этого наклеп может приводить к уменьшению электросопротивления.
Влияние размера зерна особенно существенно при такой дисперсности зерен, когда размеры зерен одной из фаз (например, включений) соизмеримы с длиной волны электрона (~1 нм). При этом происходит значительное рассеяние электронов, а следовательно, и резкое повышение сопротивления (примерно на 10¸15 %).
Таким образом, электрические свойства, являясь структурочувствительными, применяются для анализа сплавов в металловедении, например, для определения границ растворимости, изучения превращений в результате термической обработки.
|
|
Историки об Елизавете Петровне: Елизавета попала между двумя встречными культурными течениями, воспитывалась среди новых европейских веяний и преданий...
История создания датчика движения: Первый прибор для обнаружения движения был изобретен немецким физиком Генрихом Герцем...
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...
Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!