11.4.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ Информационная электроника представляет собой совокупность аппаратных средств и алгоритмов (способов обработки и преобразования информации), выполняющих функции сбора, обработки, хранения, отображения информации и ее использования в задачах

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 (N 2 , O 2 , H 2 , CO 2 , H 2 O, CH 4 , C 2 H 6 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 Н 2 , О 2 , N 2 , а также молекул многих органических соединений - полиэтилена (С 2 Н 4) n , политетрафторэтилена (С 2 F 4) 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 (Н 2), азоте (N 2), углекислом газе (СО 2), 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 Н 2 О и некоторых органических соединениях, а также в кристаллах типа КН 2 РО 4 .

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.

Появление новых конструкционных материалов и разработка технологий их получения являются объективной необходимостью технического и социального развития общества. Это видно из краткого перечня основных направлений использования новых перспективных материалов:

o для информационных технологий (оптические и магнитные запоминающие системы, электронные приборы, дисплеи);

o для транспортных средств (автомобилестроение, аэрокосмическая техника, железнодорожный и водный транспорт);

o для тепло- и электроэнергетики (электростанции, системы накопления и распределения энергии, системы хранения и транспортировки топлива, системы для возобновления энергии);

o для станкоинструментальной промышленности;

o для медицинской техники (хирургический инструмент, протезы, имплантанты);

o строительные материалы.

Возрастание требований потребителей к свойствам конструкционных материалов можно свести к следующим показателям:

o повышению удельных механических свойств (прочность, упругость и т.п. в расчете на единицу массы или удельного веса), что должно обеспечивать снижение массы изделий и затрат на их эксплуатацию;

o повышению сопротивляемости материала воздействию рабочей среды (температуры, агрессивности среды, радиационному и пучковому излучению и т.п.);

o повышению долговечности (ресурса службы) материала и его надежности в эксплуатации.

Одним из ведущих высокотехнологических потребителей новых металлических материалов является аэрокосмический комплекс. В этом комплексе новые материалы должны обеспечить повышение безопасности полетов, снижение эксплуатационных расходов, в том числе снижение расхода топлива и загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации летательных аппаратов.

Особенно остро стоит проблема повышения ресурса и экологической чистоты двигателей. В настоящее время в России средний ресурс двигателей составляет около 14000 часов по сравнению с 29000 ч двигателей фирмы “Роллс - Ройс” и 30000 ч у двигателей серии CFM - 56. Двигателями CFM -56 оснащены более 70% мирового парка самолетов вместимостью более 100 мест.

Ответственные задачи стоят перед мировой энергетикой. В ближайшие 20 лет мировое производство электроэнергии должно возрасти в два раза при условии повышения экономичности ее производства и снижения вредного воздействия на окружающую среду, что требует использования новых металлических и неметаллических материалов. В системах распределения (передачи) и хранения энергии (накопители) большая роль отводится сверхпроводникам, работающим при температурах выше 20 К и температурах равных 77 К в сильных и слабых магнитных полях. Эти же сверхпроводники перспективны и для транспорта на магнитных подушках.

В автомобилестроении основным направлением развития является создание легких, безопасных, комфортабельных и экологически чистых в эксплуатации моделей. В США средняя масса легкового автомобиля в 1975 году составила 1800 кг, в 1990 г - 1350 кг. Специальной программой PNGV намечено довести эту величину до 750 кг, создав модели с расходом топлива 3,5 литра на 100 км. Аналогичные программы разрабатываются в Европе. Для достижения этих целей должны широко использоваться легкие металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды.

На железнодорожном и водном транспорте главными целями развития являются повышение экономичности и экологической безопасности при снижении массы транспортных средств и повышении их энерговооруженности.

Постоянно требуются новые материалы в области информационных технологий, например для компакт - и видеодисков для записи с помощью голубых и зеленых лазеров, что существенно увеличивает емкость дисков. Интенсивно (прирост в год более 50%) развивается производство магнитных запоминающих устройств и продолжается их миниатюризация.

Для достижения вышеуказанных целей разрабатываются новые виды металлических и неметаллических материалов.

Особое внимание уделяется легким цветным металлам и сплавам на их основе; материалам, имеющим мелкодисперсную и ультрамелкодисперсную структуру, монокристаллическим, аморфным и порошковым материалам.

Такие структуры обеспечивают прочностные характеристики иногда на порядок превышающие традиционные значения прочности и придают материалам особые технологические, физические и эксплуатационные свойства.

Материалы с такими структурами служат основой для создания различного рода композиционных материалов, деталей, полученных методами порошковой металлургии и других деталей, обладающих специальными свойствами.

Наиболее часто изделия из указанных металлических и неметаллических материалов изготавливаются методами обработки давлением (прессование, штамповка, выдавливание и т.д.). Поэтому изучение студентами специальности «Обработка металлов давлением» новых металлических и неметаллических материалов, их свойств и возможности применения в различных отраслях народного хозяйства является целесообразным.

1.2 КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Исходя из природы конструкционных и инструментальных материалов, их можно разделить на следующие основные группы:

1. Металлические материалы, к которым относятся:

o сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны (подробно рассмотрены ранее в курсе «Металловедение»);

o стали и сплавы с особыми физическими свойствами – магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);

o цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.

o композиционные материалы с металлической матрицей;

2. Неметаллические материалы:

o полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;

o композиционные материалы с неметаллической матрицей (стеклопластики, углепластики, оргпластики и др.);

o неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);

3. Материалы со специальными свойствами - электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.

Чистое железо - хороший проводниковый материал. Отсюда его применение в радио- и приборостроении. Чистое железо является магнитомягким материалом (легко намагничивается и размагничивается). Получить чистое железо достаточно трудно. По степени чистоты различают технически чистое железо - 0,006 - 0,025% С и химически чистое железо - 0 - 0,006% С.

Стали в свою очередь можно разделить на следующие группы:

· конструкционные стали (углеродистые, легированные, строительные, арматурные, машиностроительные цементуемые и улучшаемые, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, и т.д.);

· инструментальные стали (стали для режущего инструмента, для измерительного инструмента, стали для штампов холодного деформирования, стали для штампов горячего деформирования, твердые сплавы и.т.д.).

Инструментальные стали отличаются от конструкционных более высоким содержанием углерода. Соответственно они имеют более высокую твердость, прочность и более низкую пластичность.

Чугуны можно разделить на белые, серые, ковкие и высокопрочные. Они отличаются друг от друга по структуре и свойствам.

Белые чугуны хрупкие и твердые. Как конструкционный материал, применения не находят. Серые чугуны хорошо работают на сжатие и поэтому применяются для изготовления станин различных станков и другого оборудования. Ковкие чугуны имеют высокую прочность и наряду с этим хорошую пластичность. Применяются ковкие чугуны для деталей, работающих при высоких динамических, статических и вибрационных нагрузках. Высокопрочные чугуны имеют высокую прочность и твердость, хорошие литейные свойства. Применяются для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров, молотовых шаботов, траверс прессов, прокатных валков, корпусов насосов.

Кроме того, возможна классификация конструкционных материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность их применения определяется различными критериями.

В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные материалы подразделяют на следующие группы:

o материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали);

o материалы с особыми технологическими свойствами;

o износостойкие материалы;

o материалы с высокими упругими свойствами;

o материалы с малой плотностью;

o материалы с высокой удельной прочностью;

o материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды;