Материаловедение(лекции)
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственноеобразовательноеучреждение высшегопрофессиональногообразования
САНКТ$ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
М. А. Плотянская, И. А. Киршина, О. М. Филонов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ
ТЕХНИКИ
Текст лекций
Санкт$Петербург 2004
УДК 620.1 ББК 30.3
П39
Плотянская М. А., Киршина И. А., Филонов О. М.
П39 Материаловедение и материалы электронной техники: Текст лекций / СПбГУАП. СПб., 2004. 95 с.: ил.
Рассматриваются вопросы строения и свойств электротехничес$ ких материалов; закономерности формирования структуры крис$ таллических материалов с использованием типовых диаграмм фа$ зового состояния сплавов. Изложены современные данные о магнит$ ных и электрических свойствах материалов. Даны характеристики материалов с особыми магнитными свойствами, технологические аспекты их получения, а также особенности проводниковых, полу$ проводниковых и диэлектрических материалов; современные мето$ ды их получения и области применения.
Текст лекций предназначен для студентов специальностей, свя$ занных с электронной техникой.
Рецензенты:
ЗАО «Авангард$Миксенсор»; доктор технических наук, профессор И. Г. Мироненко
Утверждено редакционно$издательским советом университета
вкачестве текста лекций
©ГОУ ВПО “Санкт$Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения”, 2004
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Материаловедение относится к числу основополагающих учебных дисциплин для студентов специальностей приборного и радиоэлект$ ронного профиля. Это связано прежде всего с тем, что применение, разработка новых материалов являются основой современного про$ изводства и определяют уровень научно$технического и экономи$ ческого развития страны. Проектирование рациональных, кон$ курентоспособных изделий невозможно без достаточного уровня зна$ ний в области материаловедения. Наконец, материаловедение – база для изучения многих специальных дисциплин.
В настоящем тексте лекций изложены методические основы мате$ риаловедения, рассмотрены закономерности формирования структу$ ры металлов и сплавов, а также структуры пластмасс, стекла и кера$ мики. В разделах, посвященных материалам с особыми электричес$ кими, магнитными свойствами, особое внимание уделено современ$ ным полупроводниковым, диэлектрическим, магнитомягким и маг$ нитотвердым материалам. Использованы результаты научно$иссле$ довательских работ, выполненных учеными высшей школы по под$ программе «Новые материалы» в рамках научно$технической про$ граммы Министерства образования Российской Федерации по при$ оритетным направлениям науки и техники.
После изучения дисциплины студенты должны понимать природу и особенности основных групп представленных в курсе материалов, знать физический смысл параметров материалов, их зависимость от методов получения, уметь сделать выбор наиболее эффективного ма$ териала для конкретной цели.
3
1.СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
1.1.Характеристика кристаллических решеток
Материаловедение – прикладная наука о связи состава, строения и свойств материалов. Теоретической основой материаловедения яв$ ляются соответствующие разделы физики и химии. Для конструк$ ционных материалов основные свойства:
–физические: плотность, теплопроводность, теплоемкость, элек$ тропроводность, магнитные свойства;
–химические: способность вступать в химические соединения, жаростойкость;
–механические: прочность, пластичность, твердость, упругость и вязкость;
–технологические: жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием;
–эксплуатационные: сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.
Все эти свойства определяются составом и строением материалов. В природе существуют две разновидности твердых тел, различаю$
щиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные. Кристаллические тела остаются твердыми, т. е. сохраняют при$
данную им форму до определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в об$ ратном направлении. Переход из одного состояния в другое протека$ ет при определенной температуре плавления.
Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температур$ ном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое со$ стояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.
Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное. В результате длительной выдержки при температуре, а в некоторых случаях при деформации, нестабильность аморфного со$ стояния проявляется в частичной или полной кристаллизации, на$ пример помутнение неорганических стекол при нагреве.
Кристаллические тела характеризуются упорядоченной структу$ рой. В зависимости от размеров структурных составляющих и при$
4
меняемых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро$ и макроструктура.
Тонкая структура описывает расположение элементарных час$ тиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами рентгенографии и электронографии. Большинство крис$ таллических материалов состоит из мелких кристалликов$зерен. Наблюдают такую микроструктурус помощью оптических или элек$ тронных микроскопов. Макроструктуру изучают невооруженным глазом или при небольших увеличениях, при этом выявляют рако$ вины, поры, форму и размеры крупных кристаллов.
Закономерности расположения элементарных частиц в кристал$ ле задаются кристаллической решеткой. Для описания элементар$ ной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка – равные расстояния до ближайших элементарных час$ тиц по осям координат a, b, c и три угла между этими отрезками , ,. Соотношения между этими величинами определяют форму ячей$ ки. По форме ячеек все кристаллы подразделяются на семь систем, типы кристаллических решеток которых изображены на рис. 1, где 1
– кубическая; 2 – тетрагональная; 3 – ромбическая; 4 – ромбоэдри$ ческая; 5 – гексагональная; 6 – моноклинная; 7 – триклинная.
1 |
z |
2 |
|
z |
|
z |
|
|
4 |
z |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
a |
|
|||
|
|
|
|
c |
|
c |
|
|
|
|
|
a a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
a |
|
b |
|
|
a |
||||
a |
|
y |
a |
|
y |
a |
|
y |
a |
|
y |
x |
|
|
x |
|
|
x a b c |
|
x a b c |
|
||
a = b = c |
|
a = b c |
|
|
|
||||||
90° |
|
90° |
|
90° |
|||||||
90° |
|
|
|||||||||
5 |
z |
|
|
6 |
z |
|
7 |
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
c |
|
|
|
c |
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
a |
|
|
|
b |
|
|
|
b |
|
|
|
y |
|
|
y |
|
a |
|
y |
|||
|
|
|
a |
|
|
|
|
||||
x |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a b c |
|
|||
a = b c |
|
|
a b c |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
90° |
|
||||||
90° , 120° |
|
90° , 90° |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
Рис. 1
Отрезки a, b, c – периоды решетки, которые определяют размер элементарной ячейки. В большинстве случаев решетки сложнее, так как элементарные частицы находятся не только в узлах кристалли$
5
ческой решетки, но и на ее гранях или в центре решетки. Наиболее распространенные сложные кристаллические решетки металлов по$ казаны на рис. 2, где а – объемно$центрированная кубическая (ОЦК); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК); в – гексагональная плот$ ноупакованная (ГПУ).
a
a) |
a |
б) |
a |
в) |
c
Рис. 2
Для задания направления в кристаллической решетке и располо$ жения плоскостей кристалла используются кристаллографические индексы (индексы Миллера). Положение атомных плоскостей в кри$ сталле определяется отрезками, отсекаемыми этими плоскостями при их пересечении с осями координат x, y, z. Эти отрезки измеряются целыми числами m, n, p, равными длине ребер ячейки a, b, c, которые являются единичными расстояниями вдоль осей координат. За ин$ дексы плоскостей принято брать обратные отрезки: h = 1/m, k = 1/n, l = 1/p. Эти числа заключаются в круглые скобки. На рис. 3 показан ряд плоскостей в простой кубической решетке.
|
|
|
z |
z |
|
z |
|
|
|
(010) |
|
(110) |
(111) |
(010) |
|
|||||
y |
y |
y |
x |
x |
x |
Рис. 3
Индексы направления [u, v, w] определяют координаты узла кри$ сталлической решетки в единицах отрезков a, b, c, проходят через начало координат и узлы кристаллической решетки, их обозначают целыми числами и заключают в квадратные скобки. Кристаллогра$
6
фические направления и их индек$
сы в простой кубической решетке |
|
[001] |
z |
[012] |
|
|
[110] |
|
|
|
|||
показаны на рис. 4. |
|
[111] |
|
|||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||
Кристаллические тела облада$ |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
ют свойством анизотропии. Ани |
|
|
|
|
|
|
зотропия – это зависимость |
|
|
|
|
|
|
свойств кристаллических тел от |
|
|
|
|
|
|
направления, возникающая в ре$ |
|
|
|
|
|
|
зультате разных расстояний меж$ |
|
|
|
|
|
|
ду атомами (ионами, молекулами) |
(1000 |
|
|
|
|
[010] |
в различных кристаллографичес$ |
|
|
|
(120) |
||
ких направлениях. Анизотропия |
|
(120) |
|
y |
||
x |
|
|
||||
присуща всем свойствам кристал$ |
|
(110) |
|
|||
|
|
|
|
|
||
лов: температурному коэффициен$
Рис. 4
ту линейного расширения, удель$ ному электрическому сопротивле$
нию, магнитным свойствам, модулю упругости. Но это все характер$ но для монокристаллов, которые получают в основном искусствен$ ным путем. В природе кристаллические тела – поликристаллы и со$ стоят из множества различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, их считают мнимоизотропными. В процессе обработки давлением наблюдается параллельная ориентация различ$ ных кристаллов, такие структуры называют текстурованными и они анизотропны.
1.2. Типы связи между частицами в кристалле
Между частицами в кристалле могут существовать различные типы связи. Тип связи определяется электронным строением ато$ мов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы сбли$ жаются на определенное расстояние, которое обеспечивает наиболь$ шую термодинамическую стабильность – минимум энергии связи.
Энергия связи определяет физические свойства материалов. Все кристаллы по характеру связи условно подразделяют на молекуляр$ ные, ковалентные, металлические и ионные, но такое деление услов$ но, так как может действовать и несколько типов связи.
Молекулярные кристаллы – это кристаллы, в которых преобла$ дает связь Ван$дер$Ваальса. Например, в кристаллах инертных га$ зов при очень низких температурах и больших давлениях (твердое состояние) при сближении атомов обмен электронами невозможен, силы притяжения между ними объясняются мгновенной поляриза$ цией атомов при сближении. При нормальных условиях к молеку$
7
лярным относятся кристаллы J2, H2O, CO2, CH4. Для этих кристал$ лов характерна наиболее компактная кристаллическая решетка – ГЦК. Энергия связи невелика, поэтому кристаллические тела с мо$ лекулярным типом связи имеют низкие температуры плавления и испарения, большие температурные коэффициенты линейного рас$ ширения, обладают диэлектрическими свойствами.
Ковалентные кристаллы – это кристаллы, у которых преоблада$ ет ковалентный тип связи. Такие кристаллы образуют элементы 4, 5, 6 подгруппы В периодической системы. Атомы обобществляют свои валентные электроны с соседними атомами, достраивая валентную зону. Пример: углерод, кремний, германий, сурьма, висмут и др. Для этих материалов характерна направленность межатомных связей и неплотноупакованные кристаллические структуры. Материалы с ковалентным типом связи обладают низкой пластичностью и высо$ кой твердостью, имеют высокую температуру плавления, по элект$ рическим свойствам относятся к полупроводникам и диэлектрикам. Металлические кристаллы – это кристаллы, у которых преоблада$ ет металлический тип связи. Их образуют элементы всех подгрупп А и 1–3 подгрупп В. Валентные энергетические зоны перекрываются, образуя общую зону со свободными электронами в объеме всего кри$ сталла. Пример: кристаллические структуры с ГЦК – никель, сереб$ ро, медь, золото, железо – , платина, алюминий, свинец; с ГПУ – магний, кобальт, берилий, цинк, титан; с ОЦК – железо – , хром, молибден, вольфрам, тантал. Для элементов с металлическим типом связи имеет место явление полиморфизма – способность в твердом состоянии при различных температурах (или давлении) иметь раз$ личные типы кристаллических структур, которые называются ал лотропическими формами или модификациями . Энергия металли$ ческой связи несколько меньше, чем энергия ковалентной связи, по$ этому металлы по сравнению с ковалентными кристаллами имеют более низкие температуры плавления, испарения, меньший модуль упругости, но более высокий температурный коэффициент линейно$ го расширения; металлы более пластичные и менее твердые; облада$ ют хорошей электрической проводимостью.
Ионные кристаллы характерны для сложных кристаллов, состо$ ящих из элементов различной валентности. Между элементами про$ исходит перераспределение электронов, электроположительный эле$ мент теряет свои валентные электроны и превращается в положи$ тельный ион, а электроотрицательный приобретает, достраивая свою валентную зону до устойчивой конфигурации, как у инертных газов. Пример: кристалл оксида железа FeO, решетка которого состоит из
8
отрицательно заряженных ионов кислорода и положительно заря$ женных ионов железа. Величина энергии связи кристаллов с ион$ ным типом связи близка к ковалентным кристаллам и превышает металлические, тем более молекулярные. Имеют высокую темпера$ туру плавления и испарения, высокий модуль упругости и низкий коэффициент линейного расширения.
1.3. Дефекты кристаллов
Строение реальных кристаллов отличается от идеальных, в ре$ альных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразде$ ляются на точечные, линейные, поверхностные и объемные.
Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию, самые простые – вакансии – пустой узел кристаллической решетки и наличие межузельного атома, появляются из$за тепловых колеба$ ний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концен$ трация вакансий и межузельных атомов, пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпе$ ратурного нагрева при пластическом деформировании и при облуче$ нии нейтронами. Ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов – диффузия, спекание порошков и т.д., повышают электро$ сопротивление, но почти не влияют на механические свойства чис$ тых металлов. На рис. 5 показаны разновидности точечных дефек$ тов в кристаллической решетке, где а – вакансии; б – межузельный атом; в – примесный атом внедрения.
a) |
б) |
в) |
Рис. 5
Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем изме$ рении. Важнейший вид линейных дефектов – дислокации. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Плотность дислокаций – сум$ марная длина всех линий дислокаций в единице объема. Дислока$ ции значительно влияют на свойства материалов, участвуют в фазо$ вых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора, влияют на проч$
9
ность кристаллов, увеличивая ее в несколько раз по сравнению с ото$ жженным состоянием. На рис. 6 приведен один из видов линейной дислокации.
|
|
|
Поверхностныедефектыимеют |
|
|
|
малую толщину и значительные |
|
|
|
размеры в двух измерениях. Обыч$ |
|
|
|
но это места стыков двух ориенти$ |
|
|
|
рованных участков кристалличес$ |
|
|
|
кой решетки. Ими могут быть гра$ |
|
|
|
ницы зерен, границы фрагментов |
a |
|
a |
внутри зерна, границы блоков внут$ |
|
ри фрагментов. Фрагменты имеют |
||
|
|
|
|
|
Рис. 6 |
|
угол разориентировки не более 5° , |
|
|
такие границы называют малоугло$ |
|
|
|
|
выми границами. Для поликристаллических материалов границы между зернами представляют собой переходный слой, в котором на$ рушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зер$ нами – большеугловые дефекты значительно влияют на физические и механические свойства материалов: чем меньше зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше хрупкость.
1.4. Структура полимеров, стекла и керамики
Полимерами называют вещества с большой молекулярной массой (104), у которых молекулы состоят из одинаковых групп атомов$зве$ ньев. Каждое звено представляет молекулу исходного низкомолеку$ лярного вещества – мономера. В зависимости от характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют на термоплас$ тичные и термореактивные.
Термопластичные способны многократно размягчаться при на$ греве и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств.
Термореактивные при повторном нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения.
Различие объясняется тем, что у термопластичных между моле$ кулами действуют относительно слабые силы Ван$дер$Ваальса, при нагреве эти связи ослабляются и материал размягчается; у терморе$ активных дополнительно к молекулярным связям имеются попереч$ ные ковалентные связи между молекулами. Имеют аморфную струк$ туру с различной степенью кристаллизации.
10