Файл: Конспект лекций по дисциплине оп. 06 Материаловедение, электрорадиомате риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11. 02. 16 сост. Фролов А. Л.pdf

9 щие интервал размягчения стекла. Они отличаются пониженными электрическими свойствами, невысокой нагревостойкостью, но легко обрабатываются;
• бесщелочные стекла не содержат оксидов щелочных металлов. Стекла данной группы обладают более высокой нагревостойкостью и высокими электрическими свойствами;
• щелочные стекла с добавлением оксидов тяжелых металлов (PbO, BaO и др.) удовлетворительно обрабатываются, а по электрическим свойствам приближаются к бесщелочным стеклам.
Стекла - это неорганические диэлектрики с ионным типом поляризации. По механи- ческим свойствам они обладают высокой прочностью на сжатие, но малой прочно- стью на растяжение, твердостью в сочетании с хрупкостью. Оптические свойства стекол характеризуются прозрачностью, коэффициентом преломления и т.д. Их элек- трические свойства зависят от состава и меняются в следующих пределах:
•ε = 3,8…16;
•tgδ = (1…100).10-4;
•ρ = 106...1016 Ом·м;
•Епр = 30...150 МВ/м.
Наилучшими характеристиками обладает кварцевое стекло - материал на основе чис- той двуокиси кремния SiO2. Его получают при температуре выше 1700°С. Стекло- масса обладает очень узким интервалом размягчения и даже при температурах выше
1700°С имеет высокую вязкость. Основу микроструктуры кварцевого стекла состав- ляют кремний - кислородные тетраэдры [SiO4]4- (рис. 27), которые, соединяясь друг с другом через кислородные ионы, образуют сплошные трехмерные сетки. В принци- пе, кварцевое стекло можно рассматривать как неорганический пространственный полимер.
Свойства кварцевого стекла:
• высокие механические свойства (ζсж = 2500 МПа, ζраст = 60 МПа, что в 4-5 раз выше, чем у остальных стекол),
• высокая нагревостойкость (до 1000°С);
• низкий температурный коэффициент линейного расширения (αl = 0,01.10-6 К-1),
• высокая химическая инертность;
• высокая прозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной области спек- тра до λ = 4 мкм, радиопрозрачность.
Кварцевое стекло находит широкое применение во многих областях техники: в про- изводстве лабораторной посуды (реакторы, тигли, лодочки, ампулы и т.д.), оптиче- ских линз, призм, баллонов ламп ультрафиолетового излучения, стабилизаторов час- тот и т.д.
Применение стекол:
Электровакуумное стекло применяется для изготовления баллонов и других дета- лей электровакуумных приборов. По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе боросиликатных (B2O3+SiO2) или алюмосиликатных

10
(Al2O3+SiO2) с добавками щелочных оксидов. Для них важное значение имеет тем- пературный коэффициент линейного расширения, который должен быть близок к αl соответствующего металла. Электровакуумные стекла подразделяются на:
•платиновые - αl = (8,5…9,2).10-6 К-1;
•молибденовые - αl = (4,6…5,2).10-6 К-1;
•вольфрамовые - αl = (3,5…4,2).10-6 К-1.
Изоляторные стекла используются для герметизации вводов в металлических кор- пусах различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисторов, и др.). Для таких проходных изоляторов в полупроводниковых приборах применяют щелочное сили- катное стекло.
Цветные стекла - обычные силикатные стекла с добавками, придающими стеклам соответствующую окраску: CaO - синюю, Cr2O3 - зеленую, MnO2 - фиолетовую и коричневую, UO3 - желтую, что используется при изготовлении светофильтров, эма- лей и глазурей.
Лазерные стекла применяются в качестве рабочего тела в твердых лазерах. Центра- ми излучения являются активные ионы, равномерно распределенные в диэлектриче- ской, прозрачной матрице. Наиболее часто применяют баритовый крон (BaO-K2O-
SiO2), активированный ионами неодима Nd3+. Преимущество лазерных стекол перед монокристаллами - оптическая однородность, изотропность свойств, высокая техно- логичность, низкая теплопроводность, что важно для генерации импульсов высокой мощности.
Стекловолокно получают из расплавленной стекломассы вытяжкой через фильеру с быстрой намоткой на вращающийся барабан (d = 4...7 мкм). Из стекловолокна мето- дом текстильной технологии ткут ткани, ленты, делают шланги. Преимущества стек- ловолокнистой изоляции состоят в высокой нагревостойкости, значительной прочно- сти, малой гигроскопичности и хороших электроизоляционных свойствах.
Световоды используются в оптоэлектронике для передачи различной информации от источника к приемнику с помощью тончайших волокон. Отдельные волокна соеди- няются в световые кабели (жгуты) с внутренними межволоконными светоизолирую- щими покрытиями. Чтобы предотвратить прохождение света из одного волокна в другое их покрывают светоизолирующей оболочкой из стекла с меньшим показате- лем преломления, чем у сердцевины. Тогда световой луч, падая из среды, оптически более плотной (сердцевина), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной (оболочка) под углом больше предельного, будет испытывать многократное полное внутреннее отражение и пойдет вдоль волокна практически без потерь энер- гии.
2.4. Магнитные радиоматериалы
1. Основные характеристики магнитных материалов. Классификация магнитных ма- териалов. Магнитотвердые и магнитомягкие материалы. Магнитные материалы спе- циального назначения.

11
Электрическая прочность диэлектриков
Электрической прочностью называется свойство диэлектрика сохранять свое элек- трическое сопротивление при приложении напряжения. Потери диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряженности поля некоторого критическо- го значения называется пробоем, напряжение – пробивным напряжением.
Электрическую прочность определяю величиной пробивного напряжения, отнесен- ного к толщине диэлектрика в месте пробоя.
Пробой диэлектриков может наступать в результате электрических, тепловых, а так- же электрохимических процессов, происходящих под действием электрического по- ля. Механизм пробоя лучше всего рассматривать в зависимости о агрегатного со- стояния вещества.
Электрическая прочность измеряется в вольтах на единицу расстояния (обычно В/см) и сильно варьирует с диэлектриком:
- cлюда, кварц и другиe твѐрдые диэлектрики с хорошими изолирующими свойства- ми обладают прочностью до 106-107 В/см;
- электрическая прочность жидкого диэлектрика очень сильно зависит от его чистоты и также может достигать 106 В/см;
- электрическая прочность газов линейно зависит от давления (закон Пашена) и су- щественно — от толщины слоя («отклонения» от закона Пашена); в случае воздуха в нормальных условиях с толщиной слоя 1 см электрическая прочность составляет приблизительно 3×104 В/см, у элегаза — в 2-4 раза выше.
Определение магнитных материалов
Магнитными материалами называют материалы, основным свойством которых явля- ется способность намагничиваться под влиянием внешнего магнитного поля. Некото- рые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия маг- нитного поля.
К магнитным материалам относятся материалы на основе чистого железа, никеля, ко- бальта и их сплавов.
Основные типы магнитного состояния вещества (диамагнетики, парамагнетики, фер- ромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики)
В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на следующие группы: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные.
Диамагнетизм наблюдается во всех веществах и связан тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное движение электронов, вследствие чего инду- цируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего магнитного поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исче- зает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков кd (отрицательная) по абсолютно- му значению очень мала; она не зависит ни от температуры, ни от напряженности магнитного поля. Диамагнетик выталкивается из магнитного поля.

12
К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец
(вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболоч- ками). Магнитный момент их атомов равен нулю.
Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с не полностью за- полненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко, так, что взаимодействие между ними от- сутствует. Поэтому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируются в направление внешнего магнитного поля и усиливают его.
Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значе- ние от 10-5 до10-2 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но за- висит от температуры. К парамагнетикам относятся Na и редкоземельные элементы, поскольку их атомы всегда обладают магнитными моментами. Парамагнетик втяги- вается в магнитное поле.
Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие магнитным моментом (не- заполненные электронные оболочки), однако расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, которое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате такого взаимодействия энергетически выгодной в зави- симости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов со- седних атомов (ферромагнетизм) либо антипараллельная (антиферромагнетизм).
Под воздействие обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов ато- мов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствие внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимо- действие действует только до определенной критической температуры, которая назы- вается температурой Кюри. Выше температуры Кюри домены разрушаются и ферро- магнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные вещества легко намагничиваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнетиков велики (до 106) и сильно зависят от температуры, а также от напряженности магнитного поля.
Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаи- модействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнит- ных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсиру- ются, антиферрромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков.
Выше некоторой критической температуры, которая получила название температуры
Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антифер- ромагнетика разрушается и он переходит в парамагнитное состояние.
К феррримагнетикам относятся вещества, в которых обменное взаимодействие осу- ществляется не непосредственно между магнитноактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие назы- вают косвенно обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве

13 случаев в ферримагнитных веществах приводит к антипараллельной ориентации маг- нитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагниному упорядочению). Одна- ко количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ио- нов не полностью компенсируются и ферримагнитные вещества обладают магнит- ным моментом и имеют доменную структуру, которая исчезает выше температуры
Кюри.
Диа- пар- и антиферромагнитные вещества относятся к слабомагнитным, а ферро- и ферримагнитные вещества являются сильномагнитными и поэтому именно они на- шли техническое применение в качестве магнитных материалов в электротехнике.
Общие сведения о группах магнитных материалов (магнитомягкие, магнитотвердые, материалы специализированного назначения)
Магнитные материалы в зависимости от их свойств классифицируются следующим образом:
1. Магнитомягкие материалы – материалы с высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. К ним относятся электротехнические стали, пермаллой, викаллой, термаллой.
Магнитомягкие материалы применяются для изготовления магнитопроводов элек- трических машин, магнитопроводов трансформаторов и реакторов, полюсных нако- нечников, сердечников, катушек, дросселей электромагнитов и т.д.
2. Магнитотвердые материалы с высокой коэрцитивной силой. Применяются для из- готовления постоянных магнитов электрических машин, электроизмерительных при- боров, магнитных муфт и т.д.
3. Прецизионные материалы со специальными свойствами (высокой магнитострикци- ей, термомагнитными, коррозионностойкими и другими свойствами).
Магнитные прецизионные материалы со специальными свойствами применяются для изготовления магнитострикционных преобразователей, магнитопроводов систем, ра- ботающих в агрессивных средах, магнитных шунтов измерительных приборов.
Магнитные материалы классифицируются также в соответствии с их основой. Разли- чают: металлические материалы, неметаллические материалы, магнитодиэлектрики.
Металлические магнитомягкие материалы – это чистое железо, листовая электротех- ническая сталь, железо-армко, пермаллои ( железно-никелевые спавы) и др.
Металлические магнитотвердые материалы – это легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия, никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний).
Неметаллические магнитные материалы – это материалы, получаемые из порошкооб- разной смеси окислов некоторых металлов, и окиси железа – ферриты. Ферриты де- лятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Прессованные ферритовые изделия под- вергают высокотемпературной обработке – обжигу при температуре 1300 – 1500?С.