Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения и модулем упругости

Инвары и ковары — сплавы с заданными коэффициентами линейного расширения (?). Во многих отраслях техники требуются сплавы, позволяющие сохранять постоянные размеры изделий в определенном интервале температур. Это может быть достигнуто, если температурный коэффициент линейного расширения сплава практически равен нулю.

В других случаях этот коэффициент должен иметь вполне определенное значение, например такое же, как у стекла, керамики или других материалов.

В сплавах системы «Fe — Ni» коэффициент линейного расширения в зависимости от содержания никеля меняется аномально (рис. 10.8). Так, у сплава с содержанием никеля порядка 36% значения минимальны (? = 1,5•10−6 1/°С, что почти на порядок меньше, чем у железа (? = 11,6•10−6 1 /°С)), a у сплава с содержанием никеля 25% значение коэффициента линейного расширения практически в два раза больше, чем у железа.

Сплав с 36% Ni (36Н) называется инваром (неизменный). Изделия из инвара сохраняют свои размеры практически постоянными в интервале температур от -60 до +100 °С. Инвары применяют для изготовления деталей высокоточных приборов и аппаратов, требующих стабильности размеров в интервале климатических изменений температуры.

Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения используют в электровакуумной промышленности для соединения (пайки) с неорганическими диэлектриками — стеклом, слюдой, керамикой, искусственным сапфиром. Поскольку электровакуумное оборудование эксплуатируется в диапазоне определенных температур, необходимо иметь одинаковые коэффициенты линейного расширения диэлектрика и проводника (металлического сплава). При этом условии создаются вакуумно-плотные спаи. Сплавы 48Н (48% Ni), 47НД — платинит (47% Ni, 5% Си) используют для соединений с «мягкими» стеклами (нетермостойкими), слюдой, керамикой.

Ковар — сплав с 29% Ni и 18% Со имеет коэффициент линейного расширения 510−6 1/°С. Ковар используют для соединений «металл — стекло» для некоторых специальных стекол.

Элинвары — сплавы с постоянным модулем упругости, не изменяющимся (мало изменяющимся) при изменении температуры. Их используют для изготовления пружин точных приборов. Это сплавы с содержанием ~ 36% Ni и 8%.

Рис. 10.8. Температурный коэффициент линейного расширения железоникелевых сплавов в зависимости от содержания никеля.

Cr (состав элинвара Н35ХМВ: 1,14…1,26% С; 8,5…9,5% Cr; 34…36% Ni; 2…4% W; 1,8…2,2% Мо; остальное — железо).

Температурный коэффициент модуля нормальной упругости (?) таких сплавов колеблется в пределах 18…23 • 10−6 1/°С, что примерно в 10 раз меньше, чем у углеродистых сталей, и в 20 раз меньше, чем у аустенитных сталей.

Материалы с особыми электрическими свойствами

Характеристики электрических свойств

По электрическим свойствам — электропроводности — материалы подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Основное различие этих материалов заключается в величине удельного электрического сопротивления (р); эта характеристика проводников составляет 10−8…10−5 Омм; полупроводников 10−5…108 Ом•м; диэлектриков 108…1018 Омм. Кроме того, проводники принципиально отличаются от полупроводников и диэлектриков поведением при нагреве — у проводников р возрастает, а у полупроводников и диэлектриков снижается, т. е. температурный коэффициент удельного электрического сопротивления (?р) имеет разный знак для этих материалов: для проводников? р > 0; для полупроводников и диэлектриков? р < 0.

Электрическая проводимость твердых материалов определяется электронным строением атомов. В свободном атоме (одиночном) электроны могут занимать только строго определенные энергетические состояния (уровни), отделенные друг от друга запрещенными энергетическими интервалами (это означает, что переход с одного уровня на другой возможен лишь при энергетическом воздействии — электрического ноля, нагрева и т. п.). Электроны, расположенные на наиболее отдаленных от ядра орбитах (валентные электроны), обладают большей энергией.

В твердом теле при сближении атомов их электронные оболочки перекрываются. При этом происходит расщепление энергетических уровней электронов на подуровни — ряд близко расположенных дискретных энергетических состояний, образующих энергетические зоны (рис. 10.9). Расщепление уровней происходит в соответствии с принципом запрета, сформулированным Паули, — одинаковые энергетические характеристики могут иметь не более двух электронов с разными спинами, т. е. электроны разных атомов не могут находиться на одном уровне. Таким образом, энергетические уровни электронов одиночного атома превращаются в зоны энергетических состояний. Это валентная зона, приближенная к ядру, полностью заполненная электронами, зона свободных энергетических уровней (зона проводимости) и располагающаяся между ними запрещенная зона.

Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости обеспечивает электропроводность. Ширина запрещенной зоны — энергия, необходимая для преодоления этой зоны, т. е. перехода из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, ширина запрещенной зоны определяет электропроводность материалов. Проводники, полупроводники и диэлектрики сильно различаются по электрическим свойствам и соответственно их энергетические диаграммы различны (рис. 10.10).

Рис. 10.9. Образование энергетических зон при сближении атомов (схема).

Рис. 10.10. Энергетические диаграммы проводника (а), полупроводника (б), диэлектрика (в) при 0 К:

1 — зона, заполненная электронами; 2 — запрещенная зона; 3 — зона проводимости У проводников — это металлы с металлическим типом связи — валентная зона и зона проводимости перекрываются, т. е. запрещенная зона практически отсутствует (рис. 10.10, а). Вследствие этого электроны при возбуждении очень слабыми энергетическими воздействиями (электрическими полями, теплом, светом) могут беспрепятственно переходить на более высокие незанятые подуровни и перемещаться в пределах кристаллической решетки, обеспечивая тем самым большую электропроводность.

Полупроводники и диэлектрики характеризуются наличием запрещенных зон; разница между электрическими свойствами этих материалов — ширина запрещенной зоны — она значительно у? же у полупроводников, чем у диэлектриков.

Ширина запрещенной зоны полупроводников (рис. 10.10, б) достаточно узкая (например, у типичного полупроводника — химически чистого германия она составляет 1,2 • 10−19 Дж), поэтому при достаточном возбуждении электронов (за счет нагрева, энергии внешнего электрического поля) происходит их переход через запрещенную зону в зону проводимости, т. е. возникает электропроводность.

Ширина запрещенной зоны определяет величину энергии (температуру нагрева), необходимую для разрушения ковалентной связи, характерной для полупроводников, и образования свободных электронов — носителей тока. При повышении температуры электропроводность полупроводников (в отличие от проводников) возрастает, так как количество электронов, перешедших в свободную зону, увеличивается.

Диэлектрики характеризуются очень широкой энергетической зоной запрещенных значений (рис. 10.10, в). В обычных условиях электроны не могут преодолеть эту зону, поэтому электропроводность в диэлектриках отсутствует, они являются изоляторами. Тип связи в диэлектриках преобладает ионный или ковалентный. При повышении температуры в результате увеличения подвижности ионов удельное электросопротивление диэлектриков понижается.