Машиностроение и механика

Article Index
Строение и свойства материалов
Качество материалов
Классификация материалов
Механические свойства
Химические свойства
Магнитные свойства
Диамагнетики
Ферромагнетики
Антиферромагнетики
Стойкость материалов к различным воздействиям
All Pages

Строение и свойства материалов

Прогресс в различных областях науки и техники неразрывно связан с разработкой и промышленным выпуском новых материалов, которые способны не только расширить диапазон применения уже известных приборов и устройств, но и открыть новые области их использования.

Основные задачи материаловедения

Вещество есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул; материал – один из видов вещества, идущего на изготовление изделий. Вещество и поле являются формой существования материи, но, в отличие от поля, вещество обладает массой покоя. Оно характеризуется исключительно химическим составом и массой (реже - объемом) и рассматривается без какой-либо наперед заданной внешней формы; к нему не предъявляются, как правило, специальные требования и по внутренней структуре. Примеры веществ: сталь, медь, кремний, полиэтилен, глинозем. Материал - промежуточный продукт переработки вещества в изделия, отвечающий потребностям конкретного производственного процесса и имеющий сложный химический состав и (или) наперед заданную внутреннюю структуру и внешнюю форму. Примеры материалов: стальной прокат, медная фольга, монокристалл кремния, полиэтиленовая пленка, корундовая керамика. Другие виды вещества – топлива, химические реактивы. Процесс переработки сырья в изделие можно представить схемой рис. 1.1. Каждая стадия технологического процесса должна удовлетворять необходимым экономическим и экологическим требованиям: обеспечивать высокое качество объекта обработки при минимальной себестоимости, а также возможность безопасной для окружающей среды утилизации отходов.

Схема, приведенная на рис. 1.1, не является универсальной. Можно найти много примеров, когда сырье непосредственно превращается в изделие, минуя стадию материала; так, слюда в качестве диэлектрика конденсаторов используется при самой минимальной модификации сырья. Пленочные углеродные резисторы получают разложением исходных газообразных соединений, т. е. в этом случае цикл изготовления изделия не включает стадии получения материла.

Рис. 1.1. Схема переработки сырья в изделия

Однако приведенное определение имеет ясный смысл и практическое значение: оно требует наилучшего приспособления материала для соответствующего процесса переработки его в изделие, что всегда способствует повышению эффективности производства в целом. Поэтому, как правило, либо в самом наименовании материала, либо непосредственно вслед за ним в ГОСТах и справочниках содержатся указания, для какой цели он предназначен: например инструментальная сталь, припой для пайки радиоаппаратуры, лазерное стекло, кремний для силовых вентилей и т. п.

Содержание материаловедения можно в самом кратком виде отразить формулой: состав – структура – свойства. Поясним, что структура есть характеристика расположения элементарных частиц, способ построения твердого тела. Совокупность влияющих друг на друга и взаимно связанных характеристик материалов – состава и структуры – называют строением.

Важнейшей задачей материаловедения является создание материалов с заданными свойствами путем управления их строением. Однако не менее важная проблема – изучение зависимости свойств от состава и структуры. Именно таким путем идет накопление того огромного объема знаний, который требуется для улучшения качества известных и создания новых материалов.

Материаловедение обладает реальной возможностью активно влиять на прогресс техники – через создание материалов с новыми, экстремальными свойствами. Сейчас среди РЭА таковыми являются материалы для сверхчувствительных датчиков и приемников, сверхбыстродействующих запоминающих сред, мощных лазеров. Достижения в области создания материалов с совершенно новыми или экстремальными свойствами имеют не только экономическое значение, но и престижное, свидетельствуя о высоком уровне развития науки и техники.

Качество материалов

Материалы являются основой РЭА, как и любой другой аппаратуры, и поэтому от них требуется стабильность – сохранение внутреннего строения и внешней формы при изменении условий в заданных пределах в процессе длительной эксплуатации. Такая стабильность, естественно, присуща только твердому агрегатному состоянию, поэтому газы и жидкости рассматривают не как материалы, а как вещества.

Чтобы охарактеризовать материал, вещество и изделия, используют понятия сущность, свойство, параметр, качество.

Сущность (природа) и вещества, и материала – элементарный состав и тип химической связи.

Свойство – способность вещества или материала обнаруживать те или иные имеющие практическую значимость стороны сущности при взаимодействии с другими веществами или с полями. Физико-химическое свойство есть внешнее проявление состава и структуры – черта, характеризующая исключительно данный материал. Численным выражением свойства служит параметр.

Качество – способность изделия выполнять заданные функции. Качество изделия во многом определяется качеством материалов, из которых оно изготовлено.

Понятия качество и сущность нетождественны: качество может включать и несущественные для материала признаки, например внешнюю форму, отделку, окраску и другие требования промышленной эстетики или техники безопасности. Поскольку вещество и изделие разнятся, в частности и по универсальности применений (широкая – для веществ, узкая – для изделий), используются и разные критерии оценки функциональной пригодности: для веществ - исключительно свойства, для изделий – качество. Материал же как промежуточный продукт переработки сырья в изделие характеризуется и качеством, и свойствами. Это создает определенные трудности при оценке материала: для одного из приборов его качество может быть достаточно высоким, а для другого - неудовлетворительным, в зависимости от того, какие свойства оказываются определяющими в том и другом случаях.

В наиболее новых областях науки и техники, к которым относится и радиоэлектроника, основные материалы выполняют сложные функции, и поэтому требования к ним многопараметричны. При выборе материалов для радиоэлектроники принимают во внимание не только электрофизические характеристики, но и физико-механические, химические (например, механическую прочность, твердость, нагревостойкость, холодостойкость, гигроскопичность и др.). Учитывая то, что изделиям радиоэлектроники приходится работать под действием механических нагрузок, в различных климатических условиях, в химически агрессивной среде и т.д., в ряде случаев определяющими факторами при выборе материала могут быть не только и не столько его электрические характеристики, сколько механические (если это установочная деталь); гигроскопичность (при работе в условиях повышенной влажности); нагревостойкость (если воздействует высокая температура) и т.д. Очевидно, что не все параметры одинаково важны и поиск критерия, позволяющего оценить всесторонне эффективность использования именно данного материала, а не какого-либо иного, оказывается трудным.

Во многих случаях главным критерием эффективности можно считать универсальность – применимость для различных целей, работоспособность в широком диапазоне режимов и возмущающих воздействий, некритичность к изменению конструкции аппаратуры.

При выборе материала большое значение имеет и экономическая сторона. Недостаточно выбрать высококачественный материал, свойства которого удовлетворяют всем эксплуатационно-техническим требованиям. Важно, чтобы это был материал отечественного производства, по возможности недорогой, недефицитный и чтобы из него можно было изготавливать детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры с помощью недорогих и несложных технологических процессов.

Классификация материалов

Традиционно материалы, используемые в приборостроении, подразделяются на электротехнические, конструкционные и специального назначения. Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к воздействию электрических и магнитных полей, разрабатываются и производятся для применения в технике. Один из возможных подходов к проблеме классификации свойств материалов иллюстрирует рис. 1.2.

В зависимости от соотношения энергии теплового движения частиц (атомов, ионов или молекул), образующих конкретное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. В радиоэлектронике используют и четвертое состояние вещества – плазму, возникающую, в частности, после пробоя газообразных диэлектриков. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

В радиоэлектронике широко применяются материалы как с упорядоченным, так и с неупорядоченным строением. В упорядоченном моно- или поликристаллическом твердом материале наблюдается как ближний, так и дальний порядок расположения атомов (ионов). К неупорядоченным конденсированным материалам относятся такие, которые обладают лишь ближним порядком в расположении частиц, находящихся в непосредственной близости. В качестве примеров неупорядоченных конденсированных систем отметим жидкости, аморфные и стеклообразные вещества, сильно легированные полупроводники, неупорядоченные полупроводники и металлические сплавы.

Рис. 1.2. Классификация материалов

Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Такими частицами в газах являются молекулы – реже одноатомные (Не, Ne, Ar, Kr, Xe,Rn), чаще двух-, трех- и многоатомные (N₂, O₂, H₂, CO₂, H₂O, CH₄, C₂H₆ и т.п.). Молекулы газа находятся в хаотическом постоянном движении. Под действием внешних энергетических воздействий часть молекул ионизируется с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, образующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. В диэлектриках этими частицами являются молекулы, которые образуют неустойчивые комплексы, непрерывно распадающиеся и вновь образующиеся. Если молекулы полярные, то часть их будет диссоциирована на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок.

Неионизированные газы и недиссоциированные жидкости являются диэлектриками. Сильно ионизированные газы (плазма), расплавы и водные растворы электролитов представляют собой проводники второго рода.

В твердом состоянии энергия взаимодействия атомов (ионов), образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Твердые материалы по структуре могут быть упорядоченными (моно- и поликристаллическими), неупорядоченными (аморфными и стеклообразными) и смешанными.

Монокристаллы – это однородные, анизотропные тела, которые характеризуются как ближним, так и дальним порядком в расположении структурных единиц (атомов, ионов) во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек. Монокристаллы полупроводниковых материалов являются основой для изготовления интегральных схем.

Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен (кристаллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. Поликристаллы характеризуются наличием как ближнего, так и дальнего порядка в расположении структурных единиц в пределах кристаллического зерна. К поликристаллическим материалам относятся металлы, многие керамические материалы. Поликристаллические тела обычно изотропны. Однако если в ориентации кристалла создать упорядоченность (например, механической обработкой металла, поляризацией сегнетокерамики), то материал становится анизотропным. Такие тела с искусственно созданной анизотропией называются текстурами.

В неупорядоченных (аморфных и стеклообразных) телах в расположении частиц (атомов, ионов или молекул) имеет место только ближний порядок. Они проявляют изотропность физических свойств. Стеклообразные материалы – это затвердевшие жидкости, которые образуются с понижением температуры при сравнительно быстром охлаждении (повышении вязкости), затрудняющем перемещение атомов (ионов), необходимое для формирования и роста кристаллов. К стеклообразным материалам относятся стекла и смолы. Аморфная структура может наблюдаться после разупорядочения (аморфизации) кристаллического материала, например после его облучения ускоренными тяжелыми ионами. Такая операция называется ионной имплантацией и применяется для введения примесей в полупроводниковые монокристаллические подложки.

Смешанные (стеклокристаллические) материалы – частично закристаллизованные неупорядоченные системы. Они состоят из структурных областей как с ближним, так и с дальним порядком. Частично кристаллическую структуру имеют многие полимеры. Стекло определенных составов при выдержке при повышенных температурах начинает кристаллизоваться; благодаря образующимся мелким кристаллам оно теряет прозрачность, превращаясь в стеклокристаллический материал – ситалл.

Химические связи между атомами вещества делят на ионные, атомные (или ковалентные), металлические и молекулярные. Материалы, полученные из веществ с разными связями, сильно различаются по своим электрическим и другим свойствами.

Ионные связи обусловлены кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков, например Na⁺ - Сl^-, Li⁺ - F^-.

Атомные (ковалентные) связи возникают между атомами путем образования общих пар валентных электронов - по одному от каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обменного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов. В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер - она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с атомными связями обычно твердые и хрупкие. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групп таблицы Д. И. Менделеева - SiC, BN. Атомные связи характерны и для молекул таких газов, как Н₂, О₂, N₂, а также молекул многих органических соединений — полиэтилена (С₂Н₄)_n, политетрафторэтилена (С₂F₄)_n и др. (связи между отдельными молекулами этих соединений — молекулярные).

Металлические связи — это связи положительно заряженных ионов металла, образуемые отданными атомами коллективизированными валентными электронами. «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и приводит к их высокой теплопроводности и электропроводности. Ненаправленный характер связи обусловливает высокую пластичность металлов.

Молекулярные связи ( Ван-дер-Вальса) существуют в ряде веществ между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловлено согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах. В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. Межмолекулярные силы складываются из трех различных типов взаимодействия: ориентационного (эффект Кеезома), индукционного (эффект Дебая) и дисперсионного (эффект Лондона). При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются больше сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Молекулярные связи удерживают вместе молекулы в твердом водороде (Н₂), азоте (N₂), углекислом газе (СО₂), во многих органических соединениях – полиэтилене, политетрафторэтилене и т.д. Ввиду слабости молекулярных связей эти вещества легко разрушаются при тепловом движении молекул и имеют низкие температуры плавления и кипения.

Особым видом молекулярной связи является водородная связь, осуществляемая через ион водорода (протон), расположенный между двумя ионами (О^{- -}, F^-, Cl^-) соседних молекул. Водородная связь имеется в воде Н₂О и некоторых органических соединениях, а также в кристаллах типа КН₂РО₄.

По характеру взаимодействия с магнитным полем электротехнические материалы подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные.

Особенности взаимодействия электрорадиоматериалов с электрическим полем лежат в основе их деления на диэлектрики, полупроводники и проводники и рассматриваются в соответствующих разделах настоящего учебного пособия.

Свойства материалов подразделяются на функциональные (служебные), технологические (способность к обработке) и потребительские.

Функциональные свойства материалов можно разделить на механические, химические и физические. Это деление условно, поскольку механика – также раздел физики. Под механическими свойствами подразумевается поведение материала, находящегося под различного рода нагрузками. Под термином “физические свойства” понимается поведение материалов под разного вида воздействиями, включая нагревание, электричество, магнетизм, свет, звук, радиацию.

К технологическим свойствам материалов относятся деформируемость, адгезионная способность, свариваемость, паяемость и др. Среди потребительских свойств материалов наиболее важное значение имеют экономические, экологические, эстетические и др.

Подчеркнем, что свойствами материалов можно управлять путем изменения их состава и структуры.

При конкретном использовании материалов решающее значение имеют вполне определенные свойства или их комбинация. Например, в магнитных устройствах важную роль играет способность материалов усиливать и трансформировать энергию магнитного поля; в устройствах, работающих в электрическом поле, – проводимость, поляризация и другие свойства; в режущих инструментах – твердость и т.д. Общим требованием, предъявляемым ко всем материалам, является их экономичность.

Механические свойства

Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение. Способность материала противостоять разрушению называется прочностью, а его способность сопротивляться деформациям – жесткостью. Количественной мерой деформации являются относительное увеличение или уменьшение размеров.

Механические свойства проводников характеризуются пределами прочности при растяжении (s_р, Мпа), сжатии (s_с, Мпа), изгибе и кручении; относительным удлинением перед разрывом (Q, %) и хрупкостью. Твердость материала обычно оценивается по шкале Бриннеля (НВ, Мпа). Кроме указанных, для неметаллических материалов должны рассматриваться такие механические свойства, как упругость, текучесть и вязкость [1-3].

Прочность – это способность материала сопротивляться воздействию внешних сил не разрушаясь. Прочность оценивается для большинства материалов величиной предела прочности при растяжении: , где Р – сила в ньютонах (Н), при которой образец материала разрушается; F – площадь поперечного сечения испытуемого стандартного образца материала в квадратных метрах (м²). Таким образом, значение s_р определяется в Па или МПа.

Показатель прочности и удлинения при растяжении широко используется при оценке механических свойств металлов, пластмасс, резины, тканей, нитей и др.

Для некоторых материалов, например для чугуна, стекла, имеющих сравнительно низкую прочность на растяжение, применяют показатель прочности на сжатие, измеряемый аналогичными показателями. Так, например, прочность пластмасс и стекла на сжатие в 15-20 раз больше, чем на растяжение, и сопоставима с прочностью на растяжение стали (до 100 Мпа).

Твердость – это способность материалов сопротивляться вдавливанию в них какого-либо тела. Этот показатель имеет особое значение для металлов. Существуют обоснованные методы определения твердости для металлов: метод Бриннеля (вдавливанием стального шарика) и метод Роквелла (вдавливанием конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специальным таблицам и обозначают соответственно НВ и HRC. По Бриннелю определяют твердость сырых (термически не обработанных) металлов, по Роквеллу – твердых закаленных изделий, например режущих инструментов.

Упругость – это способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил. Высокой упругостью, например, должна обладать сталь для различных пружинящих инструментов.

Отношение нагрузки, при которой у образца появляются остаточные удлинения, к площади его первоначального поперечного сечения называется пределом упругости. Таким образом, предел упругости s_у измеряется так же, как и предел прочности (в МПа). Сталь имеет предел упругости около 30 МПа, а свинец, почти не обладающий упругостью, всего 0,25 МПа.

Изменение деформации во времени при постоянной нагрузке называется ползучестью. Если после снятия нагрузки по истечении некоторого времени деформация исчезает полностью, то такое последействие называется упругим.

При воздействии циклических нагрузок на материалы и конструкции разрушение может наступить при напряжениях, меньших предела упругости.

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. При циклически изменяющихся напряжениях прочность материала характеризуют пределом выносливости – наибольшим напряжением, при котором образец не разрушается при любом большом числе циклов. Величина предела выносливости зависит как от свойств материала, так и от характера изменения напряжений во времени, от состояния поверхности элемента конструкции и наличия в ней концентраторов напряжений.

Природа усталостного разрушения обусловлена особенностями строения материала. При этом структурные неоднородности и местные неравномерности в распределении внутренних сил являются определяющими. С ростом внешних сил число очагов пластической деформации и микротрещин возрастает. В предельном состоянии этот процесс приобретает лавинообразный характер. Усталостное разрушение представляет собой процесс, состоящий из двух фаз. Первая фаза – образование заметной микротрещины, вторая – развитие микротрещины и разрушение образца.

Жесткость – способность элемента конструкции сопротивляться образованию деформаций. Устойчивость – способность конструкции противостоять воздействиям, стремящимся вывести ее из исходного состояния равновесия.

Вязкость – это способность материалов не разрушаться при действии на них ударных нагрузок. Вязкость характеризует скорость процесса деформации материала под действием растягивающей силы. Вязкость также определяется как свойство твердых тел необратимо превращать теплоту в механическую энергию, сообщенную телу в процессе его деформации.

Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам; определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (МДж) к площади его поперечного сечения F (м²) в месте надреза.

Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затраченная на излом.

Циклическая вязкость – это способность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения.

Вязкость жидкостей и газов – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Динамическая вязкость – количественная характеристика сопротивления жидкости или газа смещению одного слоя относительно другого. Единица измерения динамической вязкости МПа'с. Кинематическая вязкость – отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Единица измерения кинематической вязкости мм²/с.

Пластичность – это способность материалов, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после прекращения действия сил. Свинец, например, является одним из наиболее пластичных металлов. Мерой пластичности может служить относительное удлинение. Эта величина измеряется в процентах от первоначальной длины образца при испытании на растяжение. При нагревании пластичность металлов, стекла, ряда пластмасс возрастает, а прочность уменьшается. Эти свойства материалов используют для придания им нужной формы методами ковки, прессования, штамповки, прокатки.

Хрупкость – это способность материалов под действием внешних сил не изменять или почти не изменять своей формы, но быстро разрушаться. Хрупкость – свойство, противоположное пластичности. Хрупкими являются стекло, чугун, некоторые пластмассы, например полистирол. Для хрупких материалов величина удлинения перед разрывом не превышает 2-5 %, а иногда измеряется долями процента. Большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузки – свойство пластичности.

Ряд неметаллических материалов, таких как резина, пластмассы, имеет склонность к старению, т.е. к изменению (снижению) прочности с течением времени под влиянием различных факторов внешней среды. Так, под воздействием солнечной радиации, озона, изменения температуры ускоряется процесс ухудшения механических свойств резины и ряда пластмасс. Старение металлов и сплавов происходит в течение гораздо более длительного времени и обусловлено особенностями взаимодействия с окружающей средой. Несомненно, механические свойства материалов важны при использовании их в любой конструкции.

Химические и электрические свойства

Химические свойства определяются химическим составом материала. Показатели содержания основных веществ и примесей для большинства материалов широко используются при оценке их свойств. Значение химического состава дает возможность судить о ряде свойств материала и его устойчивости к различным воздействиям. Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей; повышенное содержание серы и фосфора превращает сталь в хрупкий, непригодный к применению материал; химические свойства стекла полностью определяются его составом.

Химостойкость – это стойкость материала к взаимодействию с различными химически активными веществами. Для металлов большое значение имеет коррозионная стойкость. При определении химостойкости образцы материалов на длительное время помещают в условия, близкие к тем, в которых они должны реально выполнять свои функции, или еще более суровые с точки зрения концентрации химической активности среды, температуры и т.д. [2]. После этого определяют изменение структуры внешнего вида образцов, их массы и т. д.

Электрические свойства

Уравнения Максвелла устанавливают зависимость четырех основных характеристик электромагнитного поля (ЭМП) (векторов ) от электрических и магнитных параметров среды (s, e, m), в которой существует поле. Здесь s – удельная электропроводность, e – диэлектрическая проницаемость, m – магнитная проницаемость этой среды.

Под действием электромагнитного поля в любом веществе происходит перемещение свободных зарядов. Различают свободные и связанные электрические заряды. В зависимости от преобладания того или иного вида зарядов все материалы подразделяются на проводники и непроводники (полупроводники и диэлектрики).

При воздействии электромагнитного поля на твердый проводник приходят в движение свободные носители заряда – электроны, покидая пределы атомов и молекул, которым они принадлежат. Такое явление называется электропроводностью. Разобщенные заряды разных знаков (электроны и ионы) полностью экранируют внутренний объем проводника от внешнего поля, поэтому внутри проводника электрическое поле отсутствует.

Явление смещения связанных зарядов на ограниченное расстояние, как правило сопоставимое с межатомным, называется поляризацией. Смещение связанных зарядов под действием электрического поля характерно для диэлектриков, т.е. материалов с низкой концентрацией свободных носителей заряда. В этом случае внешнее электрическое поле не приводит к пространственному (макроскопическому) разделению разноименных зарядов, поэтому в единице объема диэлектрика сохраняется электронейтральность. Диэлектрик ведет себя подобно электрическому диполю с разноименно заряженными полюсами (поверхностями), при этом внешнее поле экранируется, но не полностью, а лишь частично. Поляризация диэлектрика создает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему.

Электрические свойства материалов наиболее полно раскрывают их природу и сущность. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием приложенного постоянного электрического напряжения. Электрический ток – это упорядоченное, направленное движение электрических зарядов в пространстве. При отсутствии электрического поля тепловое движение носителей заряда является хаотическим.

Если в веществе существуют свободные носители заряда только одного вида, то плотность тока j, т.е. электрический заряд, переносимый за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к напряженности электрического поля , равна:

, (1.1)

где q – заряд, Кл; n – число находящихся в единице объема вещества свободных носителей заряда (концентрация носителей, м^-3); u – средняя скорость упорядоченного движения носителей (дрейфовая скорость), возникшего под действием электрического поля, м/с. Обычно эта скорость пропорциональна напряженности поля e:

, (1.2)

где m – коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью свободных носителей заряда, м²/(В'с), см²/(В'с).

С учетом (1.2) уравнение (1.1) можно представить в виде

j = se = e/r, (1.3)

где s = qnm – удельная электрическая проводимость, См/м; r = 1/s – удельное электрическое сопротивление, Ом'м.

В более общем случае, когда в веществе присутствуют носители заряда разных видов, удельная проводимость представляет собой сумму отдельных составляющих электропроводности:

s = 5_q_i_n_im_I, (1.4)

причем суммирование распространяется на все виды носителей заряда.

Уравнение (1.3) выражает закон Ома в дифференциальной форме. Удельная проводимость и удельное сопротивление определяют плотность тока в веществе при заданной напряженности электрического поля, т.е. являются количественными параметрами электропроводности вещества.

Параметры s или r определяют также рассеяние электрической энергии в веществе при постоянном поле. Закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме имеет вид

E = se² = e²/r, (1.5)

где Е – энергия электрического поля с напряженностью e, превращающаяся в тепло за единицу времени в единице объема вещества, т.е. удельная мощность, Вт/м³.

Значения r и s разных материалов как естественного, так и искусственного (синтетического) происхождения находятся в широком диапазоне. У веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление практически равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности. Значения r твердых веществ охватывают 25 порядков: от r ~10^-8 Ом'м для лучших металлических проводников (серебро, медь) до r ~10¹⁷ Ом'м для лучших диэлектриков (кварц, фторопласт-4).

Обычно к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее 10^-5 Ом'м, к диэлектрикам – с r более 10⁷ Ом'м; удельное сопротивление полупроводников составляет 10^-6 - 10⁹ Ом'м [3]. Как следует из (1.4), величина электропроводности материала зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Подвижность носителей в одном и том же материале может меняться в тысячи раз, но наиболее характерны ее значения: для металлов – десятки, для кристаллических полупроводников – тысячи см²/(В'с). Подвижность ионов, которые являются преобладающими носителями заряда в диэлектриках, гораздо ниже: m = 10^-7 - 10^-2 см²/(В'с).

При классификации материалов по электрическим свойствам, кроме значения r, необходимо учитывать и физическую природу электропроводности, в частности вид свободных носителей заряда, зависимость электропроводности от температуры [1–4].

Кратко остановимся на основных технических применениях проводников, полупроводников и диэлектриков.

Проводниковые материалы предназначены для проведения электрического тока. К ним также относятся, с одной стороны, сверх- и криопроводниковые материалы, удельное сопротивление которых при низких (криогенных) температурах весьма мало, а с другой – материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и электронагревательных элементов.

Полупроводниковые материалы используют в технике в тех случаях, когда необходимо управление проводимостью материала (или прибора) с помощью электрического напряжения, температуры, освещенности и др. Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, свето- и фоторезисторы, другие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Диэлектрические материалы как вещества с высоким удельным сопротивлением применяют в качестве электроизоляционных, которые препятствуют прохождению тока нежелательными путями. В конденсаторах диэлектрические материалы служат для создания необходимой электрической емкости.

Магнитные свойства

Все вещества в природе являются магнетиками, т.е. обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств изолированных элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп.

Магнитные свойства атома в основном определяются магнитными свойствами электронов. Магнетизм других частиц относительно мал. Так, магнитный момент атомного ядра приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электронной оболочки атома. Магнитный момент электрона возникает вследствие движения электрона по орбите (орбитальный момент) и наличия у него спина (спиновый момент). Магнитный момент многоэлектронного атома представляет собой сумму магнитных моментов всех электронов, включая как орбитальные моменты, так и спиновые. Каждый электрон вносит в полный магнитный момент атома независимый векторный вклад.

В соответствии с современными представлениями о магнетизме различают следующие основные типы магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм (нескомпенсированный антиферромагнетизм). Вещества, в которых проявляются эти явления, соответственно называют: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Схематическое расположение моментов электронов атомов разных по магнитным свойствам веществ иллюстрируется рис. 1.3.

К основным магнитным величинам относятся: намагниченность М, А/м, М = k, где k – магнитная восприимчивость, – напряженность магнитного поля, А/м. Магнитная индукция В, Тл, характеризует суммарное магнитное поле внутри материала:

, (1.6)

где m₀ – магнитная постоянная, численно равная 4p'10^-7 Гн/м, характеризующая магнитную проницаемость вакуума; m – относительная магнитная проницаемость вещества, которая показывает, во сколько раз магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости вакуума (величина безразмерная); m_а = m₀m – абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м.

Рис. 1.3. Схематическое расположение спинов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б), антиферромагнитных (в) и ферримагнитных (г) веществах. Диамагнетикам свойственна полная взаимная компенсация магнитных моментов атомов

Вектор напряженности магнитного поля является характеристикой источников магнитного поля, т.е. определяется тем, в каком количестве и каким образом движутся в пространстве электрические заряды. – вектор магнитной индукции, аналог вектора напряженности электрического поля служит характеристикой силовых воздействий магнитного поля на движущиеся электрические заряды. Эти силы определяются не только вектором , но и магнитными свойствами среды (m). Вектор направлен по касательной к соответствующей силовой линии магнитного поля.

Отдельные классы магнетиков различаются по величине и знаку магнитной восприимчивости, а также по характеру зависимости магнитных характеристик от температуры и напряженности магнитного поля.

Диамагнетики

Диамагнетиками называют вещества, в которых имеет место полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов.

Физическая природа диамагнетизма основана на классическом представлении об атоме как системе электронов, движущихся вокруг ядра по определенным замкнутым траекториям-орбитам с некоторой угловой скоростью.

Если на атом накладывается медленно меняющееся магнитное поле, то эта угловая скорость меняется, а радиус орбиты остается неизменным. Изменение угловой скорости приводит к возникновению магнитного момента величиной

, (1.7)

где e – заряд электрона; m – его масса, r – радиус электронной орбиты, – напряженность магнитного поля, приложенного перпендикулярно к плоскости орбиты. Атомная магнитная восприимчивость k, рассчитанная по(1.6), (1.7), имеет порядок k – (10^-6 - 10^-5), т.е. соответствует величине, измеряемой экспериментально для диамагнитных твердых тел, и не зависит от температуры. Магнитная проницаемость диамагнетиков m _ 0,99999 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Изменение угловой скорости электрона, связанное с наложением магнитного поля, всегда обусловливает отрицательную восприимчивость. Атом с циркулирующим в нем электроном ведет себя подобно индуктивности, в которой в соответствии с правилом Ленца возникла э.д.с. противоположного знака. Таким образом, во всем объеме твердого тела возникают индуцированные внешним магнитным полем незатухающие микроскопические вихревые токи, обусловленные прецессией электронных орбит. Направление индуцированных магнитных моментов всегда противоположно направлению внешнего магнитного поля, поэтому диамагнетики отличаются тем, что выталкиваются из неоднородного магнитного поля. Диамагнетизм является результатом прецессии всех электронов атомов и молекул, поэтому присущ всем веществам, но проявляется только в том случае, если не перекрывается более сильными пара- и ферромагнетизмом.

Одной из причин преобладающего диамагнетизма ряда металлов являются большое число электронных орбит в атомах и большие радиусы этих орбит.

К диамагнитным веществам относятся водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений, ряд металлов: Cu, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Mg, Pb, B, Ga, Sb, а также графит, стекло и др..

Диамагнетизм не имеет простого практического применения. К числу наиболее интересных диамагнетиков относятся сверхпроводники. Они обладают бесконечно большой диамагнитной восприимчивостью – свойством, которое чрезвычайно полезно при конструировании сверхпроводящих магнитов.

Парамагнетиками называются вещества, в которых взаимодействие между постоянными магнитными моментами атомов – элементарными магнитными диполями – мало, в результате чего при обычных температурах под действием теплового движения молекул магнитные моменты атомов располагаются статистически равновероятно относительно любого направления и суммарный магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля создается преимущественное направление расположения элементарных магнитных моментов, т.е. тело оказывается намагниченным, однако при обычных полях и температурах намагниченность парамагнетиков очень мала. Магнитная восприимчивость их положительна и имеет значение k ~ 10^-5 - 10^-2, относительная магнитная проницаемость m _ 1,001.

Проявлением парамагнетизма является независимая ориентация магнитных моментов атомов и ионов под действием внешнего магнитного поля. Так как моменты ориентируются в направлении поля и тем самым увеличивают его, восприимчивость k больше нуля.

Парамагнетизм характеризуется двумя независимыми факторами. Один из них – температурная зависимость суммарной намагниченности всего образца, другой – природа самих магнитных моментов атомов.

Для парамагнитных газов и редкоземельных элементов температурная зависимость магнитной восприимчивости характеризуется законом Кюри, установленным экспериментально в 1895 г.:

k = С/Т, (1.8)

где С – постоянная Кюри, Т – температура, К.

Для переходных парамагнитных металлов, у которых взаимодействием между элементарными носителями магнетизма (молекулярным полем) пренебречь нельзя, справедлив более общий закон Кюри–Вейсса:

k = С/(Т - D), (1.9)

где D – постоянная Вейсса, различная для разных веществ (может быть и больше, и меньше нуля).

На рис. 1.4,а показана зависимость намагниченности М(Н) для диа- и парамагнетиков при слабых полях и при обычных или высоких температурах. В обоих случаях значение М пропорционально Н, что свидетельствует о независимости k от Н. Для намагничивания парамагнетиков до насыщения (рис. 1.4,б), т.е. до состояния, когда все элементарные магнитные моменты будут параллельны внешнему полю, требуется при комнатной температуре поле напряженностью примерно 10¹¹ А/м, а при Т = 1 К – 3'10⁵ А/м. Однако в последние годы выяснилось, что в парамагнетиках можно создать высокую намагниченность, не прибегая к сильным магнитным полям, а используя поток квантов света (оптическую накачку).

С повышением температуры при неизменной напряженности поля возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и поэтому намагниченность убывает. Парамагнетики отличаются тем, что они втягиваются в неоднородное магнитное поле.

Поскольку все заполненные оболочки имеют нулевой полный момент количества движения, они обладают также нулевым полным магнитным моментом. В частности, атомы или ионы, обладающие только заполненными оболочками, не имеют постоянных магнитных моментов и, следовательно, не могут быть парамагнитными. Никаких исключений из этого правила не обнаружено. Инертные газы He, Ar, Kr и т.д. и такие ионы, как Na⁺ и Сl^-, диамагнитны. Диамагнитны также и многие газы, такие как Н₂ и др., поскольку все электроны в их молекулах спарены. Свободные атомы других веществ обнаруживают парамагнетизм, если у них имеются неспаренные спины или нескомпенсированный момент количества движения.

Рис. 1.4. Зависимость намагниченности М от напряженности магнитного поля Н: а – для диамагнетиков (1) и парамагнетиков (2); б – для парамагнетиков при низких температурах или очень сильных полях

К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, соли железа, кобальта и никеля, щелочные металлы, а также Mg, Ca, Al, Cr, Mo, Mn, Pt, Pb и др.

Парамагнетизм в атомах или ионах не существует в одиночку: одновременно с ним всегда имеют место и диамагнитные свойства. Поскольку оба эти эффекта противоположны друг другу по знаку, суммарные магнитные свойства материала определяются наибольшим из них. У большинства материалов величина парамагнитной восприимчивости значительно больше диамагнитной, т.е. парамагнетизм обычно преобладает над диамагнетизмом.

Парамагнитные вещества используются в качестве рабочих тел в квантовых парамагнитных усилителях и генераторах.

Ферромагнетики

Ферромагнетиками называют вещества, характеризующиеся намагничиванием недостроенных внутренних оболочек атомов, поскольку магнитные моменты заполненных оболочек равны нулю, а внешние валентные электроны металла обобществлены. Такими элементами являются переходные металлы группы железа, имеющие недостроенную 3d-оболочку, и редкоземельные элементы с недостроенной 4f-оболочкой. Наличие магнитного момента у атомов обусловлено только нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами, поскольку орбитальные магнитные моменты весьма малы. Для ферромагнетиков в отсутствие внешнего поля энергетически выгодным является параллельное расположение магнитных моментов соседних атомов внутри домена.

При помещении ферромагнитного материала в магнитное поле одновременно происходят процессы ориентации магнитных моментов доменов и смещение их границ (изменение объема). В слабом поле преобладает процесс обратимого смещения границ, т.е. рост объема доменов, у которых магнитный момент, направленный вдоль оси легкого намагничивания, составляет наименьший угол с направлением внешнего поля. При усилении поля процесс идет более интенсивно и приобретает необратимый характер, кривая намагничивания В(Н) становится круче (рис. 1.5). При дальнейшем увеличении напряженности поля осуществляется процесс вращения вектора намагниченности в направлении внешнего поля и магнитное состояние материала достигает технического насыщения.

В переменных магнитных полях магнитное состояние образца периодически повторяется и его магнитная индукция зависит от величины намагничивающего поля, направления и частоты его изменения. Форма петли гистерезиса при неизменной частоте зависит от предельных значений напряженности поля. Семейство таких симметричных петель изображено на рис. 1.5. Сплошная кривая, проходящая по вершинам петель, называется нормальной или основной кривой индукции.

Рис. 1.5. Основная кривая намагничивания и семейство гистерезисных
циклов

Причинами гистерезиса являются необратимые смещения границ доменов, необратимые процессы вращения и задержка роста зародышей перемагничивания, под которыми понимают небольшие объемы с самопроизвольной намагниченностью обратного направления по отношению к основной ориентации намагниченности образца. Ферромагнетики характеризуются большими положительными значениями k и m (до сотен тысяч и миллионов), а также сложной нелинейной зависимостью этих параметров от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 1.6,а).

Рис. 1.6. Зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля (а) и температуры (б)

При температурах выше точки Кюри Т_к, определенной для каждого материала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (рис. 1.6,б) вследствие того, что хаотическое тепловое движение атомов нарушает параллельную ориентацию их магнитных моментов и, следовательно, доменное строение ферромагнетика. Точка Кюри чистого железа составляет 768 °С, никеля – 631 °С, кобальта – 1404 °С .

Антиферромагнетики

Антиферромагнетики – это вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу, поэтому имеет место их взаимная компенсация. Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков мала и составляет k _10^-5 - 10^-3. В слабых полях k (и m) практически не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в сильных является сложной функцией напряженности поля. В некоторой степени свойства антиферромагнетиков схожи со свойствами парамагнетиков. Пара- и антиферроманитные вещества объединяют положительная магнитная восприимчивость и компенсация магнитных моментов атомов. Различие заключается в том, что спиновые моменты парамагнетиков ориентированы хаотически, а антиферромагнетиков – параллельно друг другу.

По мере повышения температуры от 0 К k растет, достигая максимума при температуре, называемой точкой Нееля, и далее начинает уменьшаться, подчиняясь на этом участке закону Кюри–Вейсса.

К антиферромагнетикам относятся редкоземельные металлы – Ce, Pr, Nd, Sm и Eu, а также Cr и Mn; многие окислы, хлориды, сульфиды, карбонаты переходных элементов, например на основе марганца: MnO, MnCl₂, MnF₂, MnS₂ и др., аналогично на основе Fe, Co, Ni, Cr и др.

Ферримагнетиками (или нескомпенсированными антиферромагнетиками) называют вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу, однако величины этих магнитных моментов имеют различные значения, благодаря чему результирующая намагниченность может быть большой.

К ферримагнетикам относятся ферриты, представляющие собой магнитную керамику, состоящую из смеси окиси железа Fe₂O₃ с окислами других металлов. Структурная формула ферритов MeO'Fe₂O₃, где Me – двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Cd, Mg и др.) Многие свойства ферримагнетиков качественно аналогичны свойствам ферромагнетиков, однако имеются и существенные различия.

Например, ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения и имеют более сложную температурную зависимость основных магнитных параметров.

Преимущества ферритов при работе в ВЧ- и СВЧ-диапазонах обусловлены тем, что их удельное электрическое сопротивление в 10⁶ - 10¹¹ раз превышает удельное сопротивление металлических ферромагнетиков, так как они являются оксидными материалами, а не металлами. По значению удельного электрического сопротивления r они относятся к классу полупроводников или диэлектриков. Вследствие этого вихревые токи (и соответствующая мощность магнитных потерь) в ферритах очень малы и они применяются в качестве магнитного материала при частотах до сотен мегагерц, тогда как металлические магнитные материалы применяются при частотах до нескольких десятков мегагерц.

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость ферримагнетиков ниже, чем у ферромагнетиков, и достигают значений нескольких десятков тысяч.

Диа-, пара- и антиферромагнетики объединяются в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных (см. рис. 1.2).

Стойкость материалов к различным воздействиям

Весьма важной является способность материала сохранять свои функциональные свойства при воздействии разных факторов внешней среды.

Среди тепловых свойств материалов отметим теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, холодостойкость, термостабильность, стойкость к термоударам . Как правило, материалы, имеющие высокую теплопроводность и прочность (металлы), обладают и высокой стойкостью к термоударам. Среди неметаллов этими свойствами обладают кварцевое стекло, стекло марки “Сиал” и бериллиевая керамика – брокерит, имеющая очень высокую теплопроводность .

Влажностные свойства материалов характеризуются гигроскопичностью, т.е. способностью сорбировать влагу из окружающей среды, и влагопроницаемостью, т.е. способностью пропускать влагу. Гидрофильность – это способность материала смачиваться водой. Гидрофобность – неспособность материала смачиваться водой. Гидрофобные материалы (многие металлы, некоторые полимеры) называют также водоотталкивающими.

Растворимость материалов оценивается их стойкостью к действию различных жидкостей, с которыми эти материалы соприкасаются. Растворимость определяется количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, или по концентрации насыщенного раствора .

Светостойкость проявляется в отсутствии изменения функциональных свойств материала под действием световых и особенно ультрафиолетовых лучей, которые вызывают различные химические реакции и старение ряда органических материалов (резина, капрон). Под действием светового облучения некоторые материалы теряют механическую прочность и эластичность, в результате чего в них появляются трещины .

Радиационная стойкость характеризует способность материала функционировать, не теряя основных свойств, в условиях облучения или после радиационного воздействия. Жесткое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма), электроны высоких энергий, тяжелые заряженные частицы (протоны, альфа-частицы) и нейтроны поглощаются веществом, создавая различного рода радиационные дефекты, приводящие к изменению свойств материалов. Часто радиационную стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, попадающих на единицу площади вещества и вызывающих заметное ухудшение его основных характеристик, например нейтрон/м².

Полупроводниковые материалы и приборы заметно повреждаются реакторным излучением дозой в 10¹⁸ нейтрон/м². Многие диэлектрики обладают значительно большей радиационной стойкостью, выдерживая дозы до 10²² нейтрон/м².

В ряде случаев радиационное воздействие на материалы вызывает полезные изменения структуры, придает им новые свойства (радиационная сшивка полимеров, ионное легирование полупроводников и др.).