Твердые растворы, химические соединения

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

по курсу «Материаловедение: электротехнические материалы»

для студентов специальностей

140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106

очной, очно-заочной, заочной форм обучения

Нижний Новгород 2007

Составители А.В. Богатырева, И.А. Захаров

УДК 621.313

Исследование свойств и характеристик твердых проводниковых материалов: методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106 очной, очно-заочной, заочной форм обучения / НГТУ; сост.: А.В. Богатырева - Н. Новгород.2007. - 26с.

Даются описание лабораторных установок, порядок выполнения работы, задания и краткие сведения из теории.

Научный редактор: А.И.Чивенков

Редактор: Э.Б. Абросимова

Подп. к печ. 2.04.2007. Формат 60х84^I /16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л. . Уч.-изд. л. . Тираж 300 экз. Заказ .

___________________________________

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603600, Н. Новгород, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный

технический университет, 2007

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение физико-химических и механических свойств, исследование зависимостей удельного электрического сопротивления, температурного коэффициента удельного электрического сопротивления различных материалов и сплавов от температуры и состава.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Проводники электрического тока могут быть твердыми телами, жидкостями, а при выполнении ряда условий и газами.

Твердые металлические проводники по величине удельного сопротивления делятся на следующие группы:

– металлы и сплавы с высокой удельной электропроводимостью γ;

– металлы и сплавы со средним значением удельного электрического сопротивления ρ;

– металлы и сплавы с высоким значением ρ

– сверхпроводники;

– криопроводники.

Жидкие проводники делятся в зависимости от характера электропроводимости на два рода:

- проводники первого рода (электронная электропроводимость);

- проводники второго рода (электронно-ионная электропроводимость).

Газообразными проводниками можно считать высокоионизированные газы, т.е. вещества, переведенные в состояние плазмы.

Все проводниковые материалы делятся на металлические и неметаллические (модификации углерода - уголь, графит, угольно-графитовые композиции и высокоионизированные газы, электролиты) материалы.

По плотности металлы разделяют на легкие и тяжелые. К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м³. Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды. К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.).

ТВЕРДЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКИ

Металлическая связь

Твердые металлические проводники характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, что обусловлено особенностями металлической связи между атомами.

Металлические связи образуются в металлах и обусловлены особенностями поведения внешних (валентных) электронов. Атомы металлов обладают способностью отдавать внешние (валентные) электроны, превращаясь в положительный ион, или присоединять их вновь, превращаясь снова в нейтральный атом.

Внешние электроны, которые покидают атомы, становясь свободными, называются коллективизированными.

В результате металл представляет собой систему, состоящую из положительных ионов, которые находятся в среде коллективизированных электронов.

Рис.1. Строение металлического проводника

В этой системе одновременно имеют место притяжение между ионами и свободными электронами и ковалентная связь между нейтральными молекулами. Наличие этих связей определяет монолитность и прочность металлов.

Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Металлическая связь в отличие от ковалентной не имеет направленного характера, что придает металлам высокую пластичность. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения.

Типы решеток у металлов

В металле атомы расположены так, что образуют правильную кристаллическую решетку, что определяется минимальной энергией взаимодействия атомов. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Они бывают кубическая объемноцентрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

В гексагональной решетке атомы находятся в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома в средней плоскости призмы.

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной решетке называют периодом решетки a. Обычно a =0,1 – 0,7нм.

Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом – числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от рассматриваемого атома. Так у ОЦК решетки координационное число 8, его обозначают К8, у ГЦК – К12.

Благодаря разной плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки в металлах наблюдается анизотропия свойств. Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов, которые статически неупорядоченно ориентированы по отношению друг к другу. То есть поликристаллическое тело является псевдоизотропным. Такой изотропности не будет, если кристаллы имеют преимущественную ориентацию (текстуру) в каком – либо направлении; например, за счет значительной холодной деформации.

Дефекты решетки металлов

Различают по геометрическим признакам: точечные, линейные, поверхностные.

Точечные дефекты:

– вакансии;

– межузельные атомы.

Вакансии возникают при переходе атомов из узла решетки на поверхность или из-за испарения и реже в результате перехода в междоузлие. Тепловые вакансии характерны для поверхностного расположения атомов. С ростом температуры концентрация вакансий растет.

Такие дефекты влияют на проводимость, магнитные и другие свойства металлов.

Линейные дефекты

Чаще всего краевые и винтовые дислокации. Вокруг дислокации на протяжении нескольких межатомных расстояний возникают искажения решетки. Вектор Бюргера – критерий такого искажения – разность периметров контуров вокруг данного атома в плоскости удельной решетки и вокруг центра дислокации в реальной решетке.

Поверхностные дефекты

Эти дефекты малы только в одном измерении и представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами.

Кристаллизация металлов

Превращения из жидкого состояния в твердое характеризует кристаллизацию. При этом система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободная энергия) W_св.

При Т>Т_рав более устойчив жидкий металл. При Т<Т_рав устойчивее твердое состояние. Т_рав – равновесная температура кристаллизации, когда сосуществуют обе фазы одновременно.

Кристаллизация начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации. Растущие кристаллы или зерна геометрически правильной формы переходят к неправильной. Минимальный размер зародыша, способного к росту при данной температуре, называется критическим. С повышением ΔТ размер такого зародыша уменьшается, как и работа, необходимая для его образования. Чем выше скорость образования зародышей и их роста, тем интенсивнее идет кристаллизация.

Размер зерна меняет механические свойства. Так вязкость и пластичность растет, если зерно малое. Размер зерна зависит от химического состава, наличия примесей.

Форма кристаллов различна в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще они имеют разветвленную форму (дендриты). Их можно обнаружить при специальном травлении шлифов особенно у литого металла (сплава). Столбчатые кристаллы нежелательны для стали, так как при ковке и других операциях возможны трещины. Многие металлы в зависимости от температуры могут иметь разные кристаллические формы (полиморфные модификации).

Твердые растворы, химические соединения

Сплав – вещество, полученное сплавление двух и более компонентов. Если в твердом состоянии между компонентами нет химического взаимодействия, тогда по строению сплав – механическая смесь. Если составляющие сплав вещества вступают в химическое взаимодействие, то образуются химические соединения, например, двухкомпонентные A_nB_m. Если происходит растворение компонент, то имеем дело с твердым раствором (таблица 1).

Таблица 1

Твердые растворы – фазы, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других компонентов располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры.

Твердые растворы на основе чистых компонентов

Они бывают двух типов:

– растворы замещения (рис. 2);

– растворы внедрения (рис. 3)

Рис.2. Схематичное изображение раствора замещения (● – замещенный атом)	Рис. 3. Схематичное изображение твердого раствора внедрения

Твердые растворы на основе химических соединений

Образуются из компонентов с большими различиями в электронном строении.

При этом сохраняется решетка соединения А_nB_m, но избыточное количество атомов, например B, растворяется, заменяя в решетке атомы А. Если третий элемент С есть, то атомы С заменяют атомы А и В в узлах решетки.

Могут существовать растворы вычитания, если образуются пустые места в узлах решетки.

Упорядоченные твердые растворы

Происходит изменение ρ сплавов, например, Cu и Au благодаря перераспределению атомов внутри решетки. При упорядочивании изменяется период решетки, но не ее тип.

Такие растворы являются промежуточными между химическим соединением и твердым раствором.

Упорядоченные твердые растворы образуются при сравнительно низких температурах. Отношение компонент в сплаве тут целое число: 1:1; 1:2; 1:3, . . .

Твердые растворы с неограниченной растворимостью

Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при условиях:

– одинаковые типы кристаллических решеток у А и В;

– различие в атомных размерах ≤ 8 – 15%;

– близкое строение внешней оболочки в атоме.

Например, Au + Ag с ГЦК решеткой или Mo + W.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: